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Introducción La destilación es un proceso útil al momento de necesitar separar una mezcla en sus componentes básicos y se basa en dos procesos físicos esenciales que son la vaporización y la condensación. La vaporización consiste en el cambio del estado líquido al estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía, debido a un aumento de temperatura, para vencer la tensión superficial; y la condensación que es el cambio de fase de la materia que se encuentra en forma gaseosa (generalmente vapores) y pasa a forma líquida. Generalmente, los componentes de la mezcla tienen diferencias apreciables en sus puntos de ebullición los cuales se aprovechan para vaporizar la materia con menor punto (materia más volátil) y, posteriormente, condensarla. De esta manera, la materia con mayor punto de ebullición (materia menos volátil) se mantiene en su estado original, separada de la materia que se vaporizó. En ocasiones, los puntos de ebullición de todos o algunos de los componentes de una mezcla difieren en poco entre sí por lo que no es posible obtener la separación completa en una sola operación de destilación por lo que se suelen realizar dos o más. Así el ejemplo del alcohol etílico y el agua. El primero tiene un punto de ebullición de 78,5 °C y el agua de 100 °C por lo que al hervir esta mezcla se producen unos vapores con ambas sustancias aunque diferentes concentraciones y más ricos en alcohol. 1

Proceso de Destilaciópn (Completo)

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Introducción

La destilación es un proceso útil al momento de necesitar separar una mezcla en sus componentes básicos y se basa en dos procesos físicos esenciales que son la vaporización y la condensación. La vaporización consiste en el cambio del estado líquido al estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía, debido a un aumento de temperatura, para vencer la tensión superficial; y la condensación que es el  cambio de fase de la materia que se encuentra en forma gaseosa (generalmente vapores) y pasa a forma líquida. Generalmente, los componentes de la mezcla tienen diferencias apreciables en sus puntos de ebullición los cuales se aprovechan para vaporizar la materia con menor punto (materia más volátil) y, posteriormente, condensarla. De esta manera, la materia con mayor punto de ebullición (materia menos volátil) se mantiene en su estado original, separada de la materia que se vaporizó. En ocasiones, los puntos de ebullición de todos o algunos de los componentes de una mezcla difieren en poco entre sí por lo que no es posible obtener la separación completa en una sola operación de destilación por lo que se suelen realizar dos o más. Así el ejemplo del alcohol etílico y el agua. El primero tiene un punto de ebullición de 78,5 °C y el agua de 100 °C por lo que al hervir esta mezcla se producen unos vapores con ambas sustancias aunque diferentes concentraciones y más ricos en alcohol.

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Destilación

Es la separación mediante vaporización y condensación de una mezcla en sus componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias debido al carácter intensivo de esta propiedad, es decir, que no varía según la masa ni el volumen. La destilación se basa en el hecho de que el vapor de una mezcla en ebullición es más rico en los componentes que tienen puntos de ebullición más bajos. Por lo tanto, si este vapor es enfriado y condensado, el líquido resultante va a contener mayor cantidad del componente más volátil. Al mismo tiempo, la mezcla original contendrá mayor cantidad de la sustancia menos volátil.

Factores que influyen en el proceso de destilación

La separación de componentes de una mezcla líquida a través de destilación depende de las diferencias en los puntos de ebullición de los componentes individuales. También, dependiendo de las concentraciones de los componentes presentes, la mezcla líquida tendrá diferentes características de punto de ebullición. Por lo tanto, los procesos de destilación dependen de las características de presión de vapor de mezclas líquidas.

Temperatura

El efecto de un aumento de ésta, suele disminuir las diferencias relativas de las volatilidades entre los componentes de una mezcla dada; de igual modo, un descenso de la temperatura de vaporización aumenta corrientemente las diferencias de las volatilidades.

Presión de vapor

La presión o tensión del vapor de un líquido, es la presión de su valor a una temperatura dada en la cual las fases de vapor y líquido de la sustancia pueden existir en equilibrio. Si se mantiene constante la temperatura y se comprime el vapor sobre el líquido puro, tendrá lugar una condensación hasta que no se desprenda nada de vapor.

- La entrada de energía aumenta la presión de vapor.

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- La presión de vapor está relacionada con el punto de ebullición.- Se dice que un líquido puede “hervir” cuando su presión de vapor es

igual a la presión del entorno.- La facilidad con que un líquido hierve depende de su volatilidad.

Volatilidad relativa

La volatilidad relativa es una medida de las diferencias en la volatilidad entre dos componentes, y por lo tanto sus puntos de ebullición. Este factor indica el grado de dificultad de la separación particular. La volatilidad relativa de un componente "i" con respecto a un componente "j" se define como:

α ij=

y ix iy jx j

Donde:

yi = fracción molar del componente i en el vapor. xi = fracción molar del componente i en el líquido. yj = fracción molar del componente j en el vapor. xj = fracción molar del componente j en el líquido.

Aplicaciones del proceso de destilación

Aplicaciones farmacéuticas

- Recuperación del dimetil acetamida y concentración del residuo.- Concentración de antibióticos con recuperación de metanol.- Recuperación de butanol de los extractos del caldo.- Recuperación de acetato de etilo/acetato isopropílico.- Concentración de isopropanol de la extracción de solventes.

Aplicaciones químicas

- Rectificación de mezclas de ácidos grasos/metil-ester.- Rectificación de caprolactama y glicerina.- Rectificación con contracción de resina cloroformo/butanol.

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- Separación de etanol/fenol de solventes impregnados.- Separación de ácidos grasos/mezclas de etilhexanol

Aplicaciones alimenticias

- Concentración de alcohol de la precipitación en la fabricación de pectina.

- Retiro del amoníaco de los fluidos de intercambio iónico.- Reducción de alcohol en cervezas con la recuperación del mismo.- Recuperación de varios solventes de la miscella.

Aplicaciones ambientales

- Recuperación de tricloro etileno de efluentes que contienen látex.- Eliminación y rectificación de amoníaco del abono líquido.- Recuperación de etanol/ acetona del efluente de la fabricación

Columnas de Fraccionamiento

Una columna de destilación es una estructura cerrada en la cual se realiza la separación física de un fluido en dos o más fracciones. Esta separación se logra sometiendo el fluido a condiciones de presión y temperatura apropiadas a lo largo de la columna, de modo de lograr que las fracciones que se buscan separar se encuentren en dos estados diferentes. La fracción más pesada (en estado líquido) baja por gravedad, mientras que la más liviana (en estado gaseoso) sube y se condensa en las partes superiores. De esta manera se logra un buen intercambio entre ambas fases permitiendo la efectiva transferencia de la parte gaseosa del líquido que baja a la fase gaseosa que sube e, igualmente, de la parte líquida que pueda arrastrar la fracción gaseosa que sube al líquido que baja.

Componentes de una columna de fraccionamiento

Las columnas de destilación están compuestas de varias partes, cada una de las cuales es usada para transferir calor o mejorar la transferencia de masa. Una columna típica tiene varios componentes principales:

- Un recipiente vertical donde tiene lugar la separación de los

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componentes líquidos.- Interiores de columna tales como platos o relleno que se utilizan para

incrementar el contacto entre líquido y vapor.- Un rehervidor o reboiler para vaporizar el producto de fondo.- Un condensador para enfriar y condensar el vapor que sale por la

parte superior de la columna.- Un tambor de reflujo para recibir el vapor condensado del tope de la

columna para que el líquido (reflujo) pueda reciclarse a la columna.

El recipiente vertical aloja los interiores de la columna y junto con el condensador y el rehervidor, constituyen una columna de destilación. El esquema siguiente representa una unidad de destilación típica con una sola alimentación y dos corrientes de producto:

Figura 1. Esquema de una columna de fraccionamiento.

Operación básica de una columna de fraccionamiento

La mezcla líquida que se va a procesar se conoce como alimentación y se introduce generalmente en un punto situado en la parte media de la columna en un plato que se conoce como plato de alimentación. El plato de alimentación divide a la columna en una sección superior (de enriquecimiento o rectificación) y una inferior (despojamiento). La alimentación circula hacia la parte inferior de la columna donde es dirigida al rehervidor (o reboiler). Se suministra calor al rehervidor para generar vapor. La fuente de calor puede ser cualquier fluido adecuado, aunque en la mayoría de las plantas

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químicas se utiliza vapor de agua. En las refinerías, las fuentes de calor pueden ser corrientes de salida de otras columnas. El vapor generado en el rehervidor se introduce nuevamente en la columna en la parte inferior. El líquido que se extrae del rehervidor se llama producto de fondo o simplemente, fondo. El vapor se mueve hacia la parte superior de la columna, y al salir por la parte superior, es enfriado por un condensador. El líquido condensado es retenido en un recipiente denominado tambor de reflujo. Parte de este líquido es reciclado a la parte superior de la columna y se llama reflujo. El líquido condensado que se saca del sistema se llama destilado o producto de tope. De esta manera, hay flujos internos de vapor y líquido dentro de la columna, además de flujos externos de corrientes de alimentación y productos, entrando y saliendo de la columna.

Figura 2. Esquema de operación de una columna de fraccionamiento.

Consideraciones generales en el diseño de columnas de fraccionamiento

El diseño de una columna de destilación se puede dividir en los pasos siguientes:

- Especificar el grado de separación requerido.- Seleccionar las condiciones de operación: continuo o discontinuo.- Seleccionar el tipo de dispositivo de contacto: platos o relleno.- Determinar los requerimientos de etapas y reflujo, es decir, el número

de etapas de equilibrio.- Dimensionar la columna: diámetro y número de etapas reales.- Diseñar el interior de la columna: platos, distribuidores, soportes de

relleno.- Diseño mecánico: carcasa e instalaciones internas.

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El paso principal es determinar los requerimientos de etapas y reflujo. Esto es un procedimiento relativamente sencillo cuando la alimentación es una mezcla binaria, pero un trabajo difícil y complejo cuando la alimentación contiene más de dos compuestos. Casi todo el diseño de la destilación se lleva a cabo utilizando un programa informático de simulación de procesos comercial. Los programas de simulación de procesos permiten al diseñador determinar los requerimientos de etapas y reflujo que son necesarios para alcanzar la separación deseada, entonces se dimensiona la columna y se diseñan los interiores de la misma. Una vez que se conoce el tamaño de la columna, se puede diseñar la carcasa como un recipiente a presión y se pueden diseñar el condensador y la caldera como intercambiadores de calor. Entonces se puede calcular el coste y optimar el diseño total.

Diferencias entre una columna de destilación con perfiles en destilación sencilla con una binaria

La destilación sencilla o simple es un proceso utilizado para la separación de líquidos (con puntos de ebullición <150°C a presión atmosférica) de impurezas no volátiles, o bien separar mezclas de líquidos miscibles que difieren de su punto de ebullición. Para la destilación binaria la mezcla entrante a la columna está formada únicamente por dos compuestos (liquido-gas). Por otra parte, en la destilación sencilla, No se establece ningún tipo de contacto entre el vapor generado por el líquido que hierve y un líquido cualquiera, de composición diferente a la del equilibrio; es decir, el vapor generado y el líquido en ebullición están en equilibrio. En la destilación sencilla No existe reflujo, por lo tanto, No se obtiene un destilado puro. Lo contrario ocurre en la destilación de mezclas binarias Existe un reflujo del destilado. Para obtener un destilado puro. La destilación simple, Se usa cuando la diferencia entre los puntos de ebullición de los componentes es grande, mayor de 80° C, o cuando las impurezas son sólidos disueltos en el líquido a purificar. Para la mezcla binaria Se usa Si la diferencia que hay entre los puntos de ebullición es demasiado pequeña para que una destilación simple resulte eficiente, es necesario recurrir a destilaciones repetidas. En la práctica se emplea una columna fraccionadora, a La columna de destilación binaria, esta divida por platos teóricos. Un plato teórico se define como; la unidad de la columna que tiene la misma eficacia en la separación que una destilación simple y se expresa a menudo en cm de altura de la columna. Mientras que la columna de destilación simple no posee platos y el destilado pasa directamente al condensador.

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Aplicación práctica para el diseño de una columna de destilación

Destilación atmosférica del petróleo crudo

Los productos obtenidos por destilación del crudo no son hidrocarburos sencillos, excepto en el caso de los gases simples, como el etano, propano y butano. Son compuestos de hidrocarburos que hierven según un cierto rango de temperatura, y por orden decreciente de volatilidad y pueden ser ampliamente clasificados como gases, destilados livianos, destilados medios y residuos. Los gases son principalmente metano, etano, propano y butano. Los dos primeros se utilizan como combustibles en la refinería, mientras que el propano y el butano pueden ser licuados por compresión y vendidos como gas liquido del petróleo (GLP. El butano también puede ser utilizado como componente de la gasolina de motor o como carga para las unidades de alquilación e isomerización. Los destilados livianos poseen fracciones de naftas y Kerosene que pueden ser usadas directamente en mezcla de gasolina de motor y combustible de aviación, respectivamente. Las Naftas pesadas pueden usarse para alimentar las plantas de reformación catalítica y petroquímica. Asimismo, las fracciones más pesadas de los destilados livianos se utilizan para la producción de Kerosene iluminante y para calefacción. Los destilados más pesados, gasóleos livianos y pesados son usados como gasóleo, diesel, o mezcla con residual sirven para la preparación de combustible para barcos; igualmente los gasóleos más pesados pueden ser utilizados para alimentar los procesos de desintegración catalítica. El residual se procesa en destilación al vació para la manufactura de aceite lubricantes, parafinas o asfalto, y para la alimentación de unidades de desintegración y como combustible residual. El petróleo crudo es precalentando mediante una serie de intercambiadores de calor para luego entrar al horno, donde alcanza temperaturas entre 300-350°C, dependiente del tipo de crudo y de los productos que se desean obtener; temperatura más altas pueden originar craqueo conocida como descomposición térmica. La mezcla vapor/ liquido que sale del horno entra luego a la torre principal de fraccionamiento, la cual opera normalmente un poco por encima de la presión atmosférica. Por consiguiente, la mayoría de los hidrocarburos con temperaturas de ebullición por debajo de 350°C son vaporizados y aquellos de mayor ebullición se mantienen en forma líquida, y pasan a la zona de despojamiento de la torre. Para evaporizar cualquier componente liviano presente en el producto de fondo se inyecta vapor de agua en forma continua, el cual actúa como despojador. Los vapores de hidrocarburos más livianos y el vapor de agua

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salen por el tope de la torre y son parcialmente condensados. Los hidrocarburos no condensados permanecen en estado gaseoso mientras que parte del líquido, que incluyen gasolina, regresa como reflujo y el resto se envía a otra torre para posterior fraccionamiento. El agua se separa por decantación en el tambor acumulador de tope. Adicional al reflujo del tope existen otras corrientes de reflujo, cuya circulación permite la remoción de calor de la torre, por intercambio de calor con la alimentación. La fracción de Kerosene obtenida es retirada como una corriente lateral de la torre y es pasada a través de un despojador al que se le inyecta vapor de agua por el fondo para controlar el punto de inflamación del Kerosene. Las fracciones de gasóleos livianos, intermedios y pesados son también retiradas como corrientes laterales de la torre. El liquido residual que sale del fondo de la torre pasa a un segundo horno antes de entrar como carga a la planta de destilación al vació o puede ser enfriado intercambiando calor con el crudo para luego ser enviado a almacenaje.

Tipos de destilación

Destilación simple

La destilación simple consiste en la separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida cuyos puntos de ebullición difieren entre sí en un rango suficientemente marcado (al menos 25°C) y deben ser inferiores a 150°C. El líquido a destilar se coloca en un matraz, para después, mediante la adición de calor, impulsar la vaporización. Una vez establecido el equilibrio líquido-vapor, parte del vapor se condensa en las paredes del matraz, pero el resto (mayoría) pasa por la salida lateral, para posteriormente condensarse por efecto del enfriamiento ocasionado por agua fría que circula por un tubo refrigerante que forma parte del equipo en esta operación. Al producto se le conoce como destilado, mientras la porción que queda dentro del matraz se denomina residuo. Con la finalidad de evitar el sobrecalentamiento de los líquidos y ocasionar la posible desnaturalización de compuestos de interés en la solución, es importante adicionar núcleos de ebullición, que son partículas físicas, inertes (generalmente perlas de vidrio), utilizadas para fomentar la homogeneidad de la mezcla y mantener constante el ritmo de destilación.

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Destilación continúa

Destilación continua simple (sin reflujo)

En este proceso se introduce la carga en el alambique o calentador mediante bombeo y se extraen corrientes de vapor y de líquido detalles intensidades, que no se produzca ninguna acumulación ni empobrecimiento de material en el sistema. La composición del líquido en el aparato de destilación permanece constante o mismo sucede con la composición de los vapores desprendidos. Estos aparatos resultan antieconómicos o poco flexibles, en aquellos casos en que la materia prima a separar es relativamente pequeña y de composición muy variable o cuando no se dispone de ella de una manera continúa. La operación de destilación simple puede efectuarse de dos maneras:

Destilación en equilibrio. Es un proceso de destilación en el que se vaporiza parcialmente el material de alimentación, en condiciones de la continuidad de funcionamiento presuponen una alimentación de composición constante suministrada a gasto constante, a partir de las cuales se forman y extraen continuamente vapor y líquido en cantidades uniformes. Un ejemplo sencillo de este tipo de destilación es un alambique con su casco a fuego directo, en el interior del cual se introduce, por medio de una bomba, a gasto constante, el líquido que se alimenta. Si el fuego es de intensidad constante, se vaporiza un porcentaje determinado de la carga y saldrá del aparato en forma de destilado.

Destilación flash. Es otro tipo de destilación que se utiliza esencialmente para la separación de componentes que tienen temperaturas de ebullición muy diferentes. No es eficaz en la separación de componentes de volatilidad comparable, puesto que tanto el vapor condensado como el líquido residual distan mucho de ser componentes puros. Utilizando muchas destilaciones sucesivas sé pueden obtener pequeñas cantidades de componentes prácticamente puros, pero este método es muy poco eficaz para las destilaciones industriales cuando se desean separaciones en componentes casi puros. Los métodos modernos, tanto en el laboratorio como en la industria, utilizan el fundamento de la rectificación que se describe en esta sección. La destilación flash se utiliza a gran escala en el refino del petróleo, donde las fracciones de petróleo se calientan en calderas tubulares y el fluido caliente se somete a una destilación flash para obtener un vapor de cabeza y un líquido residual, conteniendo ambas corrientes muchos componentes.

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Destilación diferencial

Consiste en que el vapor, tan pronto como se forma, deja de estar en contacto con el líquido. De una manera gradual se va perdiendo líquido, que pasa al vapor o destilado. En la vaporización diferencial, la disminución en un instante determinado del número de moles de cualquier componente en el líquido, es igual al número de moles presente en dicho instante en el vapor

Destilación continúa rectificada (con reflujo)

La destilación continua simple, se utiliza esencialmente para la separación de componentes que tienen temperaturas de ebullición muy diferentes. No es eficaz en la separación de componentes de volatilidad comparables, puesto que tanto el vapor condensado como el líquido residual distan muchos de ser componentes puros. Utilizando muchas destilaciones sucesivas se pueden obtener pequeñas cantidades de componentes prácticamente puros, pero este método es muy poco eficaz para las destilaciones industriales cuando se desean separaciones en componentes casi puros. Los métodos modernos, tanto en el laboratorio como en la industria, utilizan el fundamento de la rectificación que se describe en esta sección. La destilación continua rectificada consiste en el retorno de una parte del destilado condensado del destilador en forma de reflujo, para que actúe sobre el vapor que se produce en el mismo. El reflujo lava los constituyentes del punto de ebullición más alto de la corriente de vapor y, al mismo tiempo pierde una parte de su contenido de material de punto de ebullición. El que la separación de los componentes de ebullición alta de una mezcla sea relativamente completa en un proceso de rectificación depende de:

- Las volatilidades de los componentes respectivos.- La relación del reflujo descendente al vapor ascendente- La longitud del camino recorrido en contra corriente por el reflujo y el

vapor, es decir, la altura de la torre.

La eficacia del contacto conseguido entre el líquido y el vapor. La relación del reflujo descendente y el vapor ascendente, tiene que realizarse considerando: el costo de la operación, la altura de la torre necesaria y el área de la sección transversal de la torre (a medida que aumenta la relación del reflujo, disminuye la altura necesaria de la torre), aumentando el consumo de calor y el área de la sección de la torre. La longitud del camino recorrido en contracorriente y la eficacia del contacto en una relación de reflujo dada, determinada por el tipo de relleno de la torre.

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Destilación discontinua

La destilación discontinua o intermitente, se define como un proceso de destilación en el que se carga un peso dado de material en un alambique o caldera adecuada y se destila una parte de la carga. Los vapores se eliminan continuamente a medida que se forman. Los componentes más volátiles se encuentran en mayor concentración en el vapor que en el líquido; por consiguiente, el líquido se va empobreciendo de los componentes más volátiles a medida que prosigue la vaporización. Así, pues tanto la composición como la del vapor producido, varían durante la destilación discontinua. Este tipo de destilación, se refiere a la de los componentes miscibles. Los aparatos de destilación o rectificación continua, separan en sus distintos componentes una mezcla de sustancias que se disuelven entre sí (o miscibles), comenzando por las más volátiles siguiendo, sucesivamente, hasta la de más elevado punto de ebullición. Las aplicaciones actuales de la destilación discontinua en las fábricas, se limitan en su mayor parte a las de pequeña escala de carácter intermitente y en las que puede sacrificarse el rendimiento en la separación y en la utilización del calor para conseguir un costo inicial bajo. En el laboratorio, pueden realizarse simples destilaciones intermitentes si la parte superior del frasco de destilación está bien aislada para evitar las pérdidas de calor, por ejemplo: haciendo un punto situado más arriba del tubo de salida del vapor.

Destilación discontinua simple (sin reflujo)

Se define como el proceso de destilación en el cual se carga en un alambique una cantidad de material, se produce la vaporización mediante la aplicación apropiada de calor y los vapores se eliminan de manera continua, a menudo que se forman, sin condensación parcial de los mismos; es decir, sin que el condensado refluya al aparato. Este tipo de destilación tal como se suele emplear, se refiere a la de componentes miscibles. La destilación simple discontinua se empleó mucho en otros tiempos, en la refinación del petróleo. En los últimos años, los alambiques simples intermitentes para dicho objeto, han sido sustituidos rápidamente por aparatos destilatorios intermitentes, con torres en las que puede utilizarse el reflujo y estos, a su vez, han sido reemplazados por alambiques continuos con torres de fraccionamiento

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Destilación discontinua (con reflujo)

La destilación discontinua con un destilador sencillo no conduce a una buena separación, salvo que la volatilidad relativa sea muy grande. En muchos casos se utiliza una columna de rectificación con reflujo para mejorar la eficacia de un destilador discontinuo. Si la columna no es demasiado grande, se puede instalar sobre la parte superior del calderón o bien, puede acoplarse independientemente por medio de tuberías de conexión para las corrientes de líquido y vaporen la operación por carga o intermitente, se carga una cantidad en el destilador, se calienta y cuando sus vapores alcanzan el sistema de condensación, se retorna como reflujo una porción de destilado o condensado. A medida que el producto de cabeza o que se desprende por la parte superior se retira, el contenido del destilador se va empobreciendo en los elementos más volátiles; en consecuencia, a medida que prosigue la destilación, tiene que aumentarse la relación de reflujo para mantener una cantidad constante del destilado que sale por la parte superior, o bien, tiene que admitirse un sacrificio en la precisión de la separación. Retomando el ejemplo anterior, acetona - agua, el fraccionamiento discontinuo se realiza como sigue: se llena la caldera y se destila hasta el final, o sea, hasta que la temperatura del líquido hirviente en la caldera, alcanza el punto de ebullición del componente menos volátil, en este caso, el agua. Aquí hay que interrumpir la destilación, vaciar la caldera y llenarla nuevamente con la mezcla.

Método McCabe-Thiele

Se considera el más simple y quizás el más ilustrativo para el análisis de la destilación fraccionada binaria. Este método emplea el hecho de que la composición de cada plato teórico (o etapa de equilibrio) está totalmente determinada por la fracción molar de uno de los dos componentes del destilado. El método de McCabe-Thiele se basa en el supuesto de desbordamiento de molar constante que exige que:

- Los calores molares de vaporización de los componentes de la alimentación son iguales.

- Así para cada mol de líquido vaporizado se condensa un mol de vapor.

- Los efectos del calor, tales como calores de disolución y la transferencia de calor hacia y desde la columna de destilación se consideran despreciables.

Antes de comenzar la construcción y uso de un diagrama de McCabe-

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Thiele para la destilación de una alimentación binaria, debemos obtener los datos del equilibrio líquido-vapor (VLE) para el componente de menor punto de ebullición de la alimentación. El siguiente paso es dibujar una línea recta desde el origen de la gráfica (0, 0) hasta el punto (1, 1), es decir la recta y=x. Esta línea de 45 grados se utiliza simplemente como una ayuda gráfica para la elaboración de las líneas restantes. Luego se dibuja la línea de equilibrio utilizando los puntos de datos VLE del componente de más volátil, lo que representa el equilibrio de las composiciones en fase de vapor (Y) para cada valor de la composición de la fase líquida (X). También se dibujan líneas verticales desde el eje horizontal hasta la línea y=x para la composición de alimentación, para la composición del destilado superior y para la del producto de la corriente del fondo (en rojo en la figura 3). A continuación se dibuja la línea operativa de rectificación (la sección sobre la entrada de la alimentación) de la columna de destilación, (mostrados en verde en la figura 3). A partir de la intersección de la línea de la composición del destilado superior y la recta y=x, trazamos la línea de operación de rectificación con una pendiente ascendente (Δy/Δx) de L/(D + L) donde L es el caudal molar de la corriente de reflujo y D es el caudal molar del producto destilado. Por ejemplo, en la figura 3, suponiendo que el caudal molar de reflujo es L=1000 mol/h y el caudal molar del destilado es D=590 mol/h, entonces la pendiente de la línea operativa de rectificación es 1000/(590 + 1000) = 0,63 lo que significa que la coordenada Y de cualquier punto de la línea aumenta 0,63 unidades por cada unidad que la coordenada X aumenta. El siguiente paso es trazar la recta q (línea azul en la figura 3). La recta q parte de la recta y=x en el punto donde x toma el valor de la composición de alimentación y llega hasta su intersección con la recta operativa de enriquecimiento. El parámetro q es la fracción molar de líquido en la alimentación y la pendiente de la línea q es q/(q - 1). Por ejemplo, si la alimentación es un líquido saturado entonces q = 1 y la pendiente de la línea q es infinita lo que significa que la línea es vertical. Otro ejemplo; si la alimentación es vapor saturado (sin líquido), q = 0 y la pendiente de la línea q es 0, lo que significa que la línea es horizontal. El diagrama de McCabe Thiele en la figura 3 utiliza una recta-q que representa una alimentación parcialmente vaporizada. A continuación, como se muestra en la Figura 3, trazamos la recta operativa de agotamiento (color rosa) de la columna de destilación (es decir, la sección de debajo de la entrada de la alimentación). La recta de agotamiento parte de la intersección de la línea roja del fondo con la recta y=x, y se dibuja hasta el punto de corte de la recta operativa de enriquecimiento y la recta q. Obsérvese que las tres rectas se cortan en un mismo punto. Este punto marca la posición del plato de alimentación. Por último, como se muestra en la figura 3, dibujamos los pasos entre las rectas de rectificación y la curva de equilibrio y luego contarlos. Estas medidas representan los platos teóricos o

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etapas de equilibrio. En el ejemplo de la figura 3, el número total de platos requeridos para la destilación binaria es de 6. Debe observarse que el uso de rectas en color no es obligatorio y sólo se han utilizado aquí para hacer la metodología más fácil de describir. En la destilación continua con diferentes relaciones de reflujo, la fracción molar de los componentes más ligeros en la parte superior de la columna de destilación disminuirá a medida que disminuye la relación de reflujo. Cada relación de reflujo nueva altera la pendiente de la recta de rectificación. Cuando el supuesto de desbordamiento constante molar no es válido, las líneas de operación no serán rectas. Usaremos balances de masa y entalpía, además de los datos de equilibrio líquido-vapor y la entalpía de datos de concentración, las rectas operativas pueden ser construidos entonces usando el método de Ponchon-Savarit.

Figura 3. Diagrama de McCabe-Thiele para la destilación mezcla de alimentación binaria. Los ejes vertical y horizontal se dibujan del mismo tamaño en el gráfico. El eje

horizontal será para la fracción molar (identificado por x) del componente de menor punto de ebullición de la alimentación en la fase líquida. El eje vertical será para la

fracción molar (identificado por y) también para el mismo componente pero en fase de vapor.

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Método Ponchon-Savarit

En el método de McCabe-Thiele se considera la constancia de los calores latentes molares de vaporización y se desprecian los calores de mezcla. Estas suposiciones implican la constancia de los caudales molares de líquido y vapor en toda la columna de rectificación, excepto en las zonas de alimentación o extracción de corrientes laterales (tanto de materia como de entalpía). Estas simplificaciones son muy útiles y permiten el desarrollo de un método gráfico muy sencillo para la determinación del número de pisos en una columna de rectificación, así como de la concentración de cada una de las corrientes que abandona cada etapa. Sin embargo, estas condiciones se satisfacen raramente en la práctica real de la rectificación, aunque proporcionan un buen punto de partida en problemas de diseño. Para sistemas reales, donde el calor latente molar depende de la composición y donde se presentan considerables efectos caloríficos de mezcla, los cálculos resultan más complicados no siendo aplicable el citado método. Para sistemas binarios, Ruheman Ponchon y Savarit desarrollaron un método gráfico para resolver este tipo de problemas en sistemas reales, que se basa en el uso del diagrama entalpía específica - composición. La siguiente figura muestra un diagrama típico entalpía específica-composición: la curva V corresponde a las temperaturas de condensación (vapor saturado) frente a la composición, y separa las zonas de vapor (V) y líquido más vapor (V+L). La curva L corresponde a las temperaturas de ebullición (líquido saturado) y separa las zonas, V+L y L. La recta AB es una recta de equilibrio, los puntos A y B representan las composiciones y entalpías del líquido y vapor en equilibrio, respectivamente. Un punto C en la zona V+L se desdoblará en dos fases de composición y entalpía dadas por A para el líquido y B para el vapor.

Figura 4. Diagrama de Ponchon-Savarit para sistemas binarios.Destilación de mezcla multicomponente

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Es un proceso físico utilizado en química para separar mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y que posee las siguientes características:

- Separación de mezclas con más de dos componentes.- Balances de masa engorrosos.- No se puede aplicar el método grafico de McCabe-Thiele.

Este proceso se basa en:

- Métodos cortos o aproximados: diseños preliminares, estudios paramétricos para establecer condiciones óptimas de diseño y condiciones óptimas de diseño y síntesis de procesos, con el objeto de determinar la secuencia óptima de separación. Punto de partida para los métodos rigurosos.

- Métodos rigurosos: Solución rigurosa. Requiere el uso de simuladores informáticos.

Destilación Azeotrópica

Un azeótropo es una mezcla líquida que tiene un punto máximo o mínimo de ebullición, en relación con los puntos de ebullición de composiciones de mezclas circundantes; la aparición de un máximo o un mínimo en la superficie de la temperatura en función de la composición se debe a desviaciones negativas y positivas, respectivamente, de la ley de Raoult. Se llama mezcla azeotrópica o de punto de ebullición constante a aquellas que están constituidas por dos o más compuestos líquidos cuyo punto de ebullición no cambia cuando el vapor que se produce se elimina. Las mezclas azeotrópica se clasifican en dos grupos:

- Homogéneas: en las que coexisten en una fase líquida en equilibrio con el vapor.

- Heterogéneas: las que hay con dos o más fases líquidas en equilibrio.

La destilación azeotrópica es un fraccionamiento que se facilita con la adición de un nuevo componente al sistema. El nuevo componente se elige juiciosamente para desplazar el equilibrio vapor-líquido en el sentido favorable; se considera como un “separador”, es decir, cambia las volatilidades relativas de los componentes originales. Volatilidad Relativa: se usa para comparar la presión de vapor de una sustancia con la otra, y

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aquella que posea presión de vapor más alta, es la más volátil. Esta operación se aplica para separar:

- Mezclas formadas de sustancias semejantes y cuyo punto de ebullición está muy próximo.

- Mezclas formadas de sustancias desemejantes que se desvían de la Ley de Roult y no pueden separarse a presiones de funcionamiento normales por simple destilación, aún cuando sus puntos de ebullición no estén muy próximos.

Se dice que la operación es azeotrópica si el agente separador forma uno o más azeótropos con los componentes del sistema, estando presente en concentraciones apreciables en la mayoría de los platos de loa columna. El separador suele llamarse “formador de azeótropo”. La destilación azeotrópica se utiliza con facilidad por cargas, o sea intermitentemente, cargando en el hervidor la alimentación y el formador de azeótropo, añadiéndose suficiente cantidad del último para mantener una porción del mismo en el hervidor y la columna durante todo el ciclo. Para poder funcionar como unos arrastrados o separador, el líquido ajeno debe presentar una selectividad y una volatilidad satisfactoria. La selectividad se refiere al efecto que el separador tenga sobre la volatilidad de los componentes del alimentador. El máximo beneficio del agente separador, se consigue cuando éste encuentra concentraciones sustanciales en el líquido en la mayoría de los platos de la columna. Otras propiedades que se deben tener en cuenta son:

- No debe corroer el equipo empleado.- No debe reaccionar con los componentes de la alimentación.- Debe ser térmicamente estable.- Fácil obtención.- Debe ser poco costoso.

Un ejemplo de destilación azeotrópica es la separación de acetato de etilo y agua. A temperatura ambiente se disuelve en acetato de etilo un 4% de agua. El acetato de etilo puro hierve a 78ºC y el agua a 100ºC.Si se calienta a ebullición en un aparato de fraccionamiento acetato de etilo húmedo, destila una mezcla de 8% de agua y 92% de acetato de etilo a una temperatura de 68ºC y pasa como mezcla de composición constante. En la caldera no se enriquece, por consiguiente, el agua, sino el acetato de etilo a pesar de su menor punto de ebullición que es, sin embargo, superior al de la mezcla de vapores, pues ésta contiene doble cantidad de agua que la fase líquida.

Destilación Extractiva

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La destilación extractiva es uno de los métodos más estudiados para la separación de mezclas azeotrópicas, se basa en la adición de un agente de separación que modifica la volatilidad de los componentes evitando la formación del azeótropo. En la columna de separación, los puntos de alimentación de la mezcla y el solvente, determinan unas zonas con funciones diferentes Esta modalidad de destilación se trata de un método de rectificación de multicomponentes. A una mezcla binaria que es difícil o imposible de separar por los métodos ordinarios, se le agrega un tercer componente, un agente másico de separación (AMS), conocido como disolvente, el cual altera la volatilidad relativa de los componentes originales y permite, de esa forma, la separación. Este disolvente agregado es de baja volatilidad, no evaporándose de modo apreciable durante todo el proceso. La destilación extractiva se usa en la industria petroquímica y química para la separación de sistemas de puntos de ebullición cercanos, críticos, o azeotrópicos, para los cuales la destilación sencilla con una única alimentación es o demasiada cara o imposible. La destilación extractiva es generalmente sólo aplicable a sistemas en los que los componentes que van a ser separados contienen uno o más grupos funcionales diferentes. En un método antieconómico normalmente para la separación de estereoisómeros, homólogos, o isómeros homólogos o estructurales que contienen los mismos puntos funcionales, a menos que las diferencias en las estructuras también contribuyan a significativas diferencias en la polaridad, el momento dipolar o el carácter hidrofóbico.

Conclusión

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La destilación es una técnica muy importante para la purificación de líquidos o separación del soluto y del disolvente de una disolución. Se utiliza para separar componentes de una mezcla homogénea en función de sus distintos puntos de ebullición. Se considera un proceso elemental en el que se vaporiza una sustancia por calentamiento, se condensa el vapor producido y, finalmente, se recoge en un recipiente aparte el líquido condensado. Por otro lado, la evolución y continua mejora de los métodos de destilación ha venido impulsada por la necesidad de desarrollo de algoritmos de cálculo que mejorasen su rapidez, su efectividad y, sobre todo, que superasen las dificultades de convergencia que presentan. Un problema que a menudo se presenta con la destilación es la incapacidad de separar una mezcla por métodos de destilación convencionales. Cuando una mezcla homogénea posee componentes con puntos de ebullición similares, se requiere realizar una destilación asistida, es decir, aquella en la que se añade un agente separador a una mezcla binaria con el fin de conseguir una separación de los componentes del sistema que no sería posible por rectificación normal, entendiendo como tal que se pretende indicar que se trata de una destilación simple, es decir de una operación como la que se llevaría a cabo en una columna convencional.

Referencias Bibliográficas

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http://www.reverte.com/isbn/img/pdfs/9788429171990.pdf

http://www.monografias.com/trabajos71/destilacion/destilacion2.shtml

http://iqtma.uva.es/separacion/archivos/destextractiva.pdf

http://enciclopedia.us.es/index.php/Destilaci%C3%B3n_del_petr%C3%B3leo

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