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QMC 256
UNIDAD Nº 3
DESTILACION
La destilación es la operación de separar, comúnmente mediante calor, los diferentes
componentes líquidos de una mezcla, aprovechando las diferencias de volatilidades de los
compuestos a separar.
La destilación se da en forma natural debajo del punto de ebullición (100 grados
centígrados en el caso del agua), luego se vuelve nubes y finalmente llueve. Aunque
también de forma acelerada hirviendo la sustancia cuando se alcanza el punto de ebullición
en una cocina o en un laboratorio.
El calentamiento global hace que el agua de los océanos se evapore mas rápido por esto en
los últimos años ha llovido tanto, es provocado por el CO2, el cual impide que el calor salga
de la tierra, lo cual provoca un aumento constante del calor en la tierra, en este caso el
vapor de agua puede arrastrar ciertas sustancias contaminantes causantes de la lluvia ácida.
La separación de los constituyentes se basa en las diferencias de volatilidad. En la
destilación, una fase de vapor se pone en contacto con una fase liquida, transfiriéndose
masa del líquido al vapor y del vapor al líquido. Por lo general, el líquido y el vapor
contienen los mismos componentes aunque en distintas proporciones. El líquido se
encuentra a su temperatura de burbuja, mientras que el vapor en equilibrio está a su
temperatura de rocío. En forma simultánea, se transfiere masa desde el líquido por
evaporación y desde el vapor por condensación. La evaporación y condensación involucran
calores latentes de vaporización de cada componente y por ello, al calcular una destilación
deben considerarse los efectos del calor.
La destilación se utiliza mucho para separar mezclas líquidas en componentes más o menos
puros.
Debido a que la destilación implica evaporación y condensación de la mezcla, es una
operación que necesita grandes cantidades de energía. Una gran ventaja de la destilación es
que no es necesario añadir un componente a la mezcla para efectuar la separación.
Las aplicaciones de la destilación son muy diversas. El oxígeno puro que se utiliza en la
fabricación de acero, en las naves espaciales y en aplicaciones medicinales, se produce por
destilación del aire previamente licuado. Las fracciones del petróleo (tales como gases
ligeros, nafta, gasolina, kerosén, combustóleo, aceites lubricantes y asfalto) se obtienen en
grandes columnas de destilación a las que se alimenta el crudo. Estas fracciones se
procesan después para obtener los productos finales y, con frecuencia, la destilación
también interviene en las etapas intermedias de este proceso.
Para la destilación fraccionada se utilizan varios tipos de dispositivos, como, por ejemplo,
los empaques vaciados u ordenados y las bandejas o platos, para que las dos fases entren
en contacto íntimo. Los platos se colocan uno sobre otro y se encierran en una cubierta
cilíndrica para formar una columna.
El material de alimentación que se debe separar en fracciones se introduce a la columna.
Debido a la diferencia de gravedad entre la fase de vapor y la líquida, el líquido corre hacia
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debajo de la columna, cayendo en cascada de plato a plato, mientras que el vapor asciende
por la columna, para entrar en contacto con el líquido en cada uno de los platos.
El líquido que llega al fondo de la columna se vaporiza parcialmente en un rehervidor
calentado para proporcionar vapor rehervido que asciende por la columna. El resto del
líquido se retira como producto del fondo. El vapor que llega a la parte superior de la
columna se enfría y condensa como líquido en el condensador superior. Parte de este
líquido regresa a la columna como reflujo, para proporcionar un derrame líquido. El resto
de la corriente superior se retira como producto de destilado o superior.
Las fases de vapor y líquido en un plato dado se acercan a los equilibrios de temperatura,
presión y composición, hasta un punto que depende de la eficiencia del plato de contacto.
Los componentes más ligeros (de punto de ebullición más bajo) tienden a concentrarse en
la fase de vapor, mientras que los más pesados (de punto de ebullición más alto) tienden a
la fase líquida. El resultado es una fase de vapor que se hace más rica en componentes
ligeros al ir ascendiendo por la columna, y una fase líquida que se va haciendo cada vez
más rica en componentes pesados conforme desciende en cascada. La separación general
que se logra entre el producto superior y el del fondo depende primordialmente de las
volatilidades relativas de los componentes, el número de platos de contacto y de la relación
de reflujo de la fase líquida a la de vapor.
FUNDAMENTO DE LA DESTILACIÓN
De acuerdo con la ley de Raoult, en el caso de que los líquidos sean solubles mutuamente,
la presión de vapor de cada uno de ellos es disminuida debido a la presencia del otro.
Algunas veces la composición del vapor puede calcularse conociendo la presión de cada
uno de los líquidos. Esto se puede hacer cuando en la disolución de dos líquidos no se
efectúen reacciones químicas y las moléculas de ambos líquidos sean más o menos del
mismo tamaño.
Podemos concluir entonces que, un mol de cualquier soluto no volátil abatirá la presión de
vapor del disolvente líquido en una cantidad característica para ese disolvente.
Debido a la presencia del soluto es necesario hacer una corrección de la presión de vapor
del líquido puro para calcular la presión de vapor de la disolución utilizando la siguiente
expresión:
Presión de vapor
(disolución)
= Presión de vapor
(disolvente)
x
Fracción molar
(disolvente)
Ley de Raoult
Esta ley sólo es válida para una disolución ideal, es decir que los componentes se mezclen
sin una combinación química ni efectos de asociación molecular.
Cuando se trata de disoluciones ideales se pueden determinar los datos para la construcción
de los diagramas anteriores a partir de las tensiones de vapor de los componentes puros.
Este comportamiento ideal se presenta en mezclas cuyos constituyentes muestran gran
semejanza química, y se aproximan a este comportamiento las mezclas cuyos componentes
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tienen iguales presiones críticas. Estas disoluciones obedecen a la Ley de Raoult, que dice:
“la presión de vapor de cada componente es igual al producto de la fracción molar de dicho
componente en la fase líquida por tensión de vapor del componente puro a la misma
temperatura”.
pA = xA.PA
pB = xB.PB = (1 - xA) PB
Si la mezcla cumple con la ley de Dalton ( p = pA + pB), la presión necesaria para que la
mezcla hierva será:
P = xA.PA + (1 – xA)PB
Como la fracción molar en la fase de vapor es la relación entre la presión parcial y la
presión total se tiene:
yA = pA/P
yB = pB/P
Destilación por lotes: También llamada destilación por cargas, es el proceso de separación
de una cantidad específica (la carga) de una mezcla líquida en productos. Este proceso se
utiliza ampliamente en laboratorios y en las unidades pequeñas de producción, donde la
misma unidad puede tener que servir para muchas mezclas. Una vez que se carga el líquido
inicial ya no se suministra más alimentación. El líquido del calderín hierve y los vapores
ascienden por la columna. Parte del líquido que sale del condensador, se refluja y el resto se
extrae como producto destilado. No se extrae ningún producto del calderín sino hasta que
se completa la corrida.
Debido a que el destilado que se obtiene es más rico en el componente volátil que el
residuo del destilador, éste se agotará en el componente más volátil a medida que progresa
la destilación.
En las destilaciones por lotes, llamadas también batch, se carga al equipo una determinada
cantidad de la mezcla de interés para que, durante la operación, uno o más compuestos se
vayan separando de la mezcla original. Un ejemplo común corresponde a las destilaciones
que ocurren en los laboratorios, donde el líquido es vaciado en un recipiente y calentado
hasta hervir. El vapor formado se retira continuamente por condensación, que corresponde
al compuesto más volátil.
En las separaciones por lotes no hay estado estable y la composición de la carga inicial
cambia con el tiempo. Esto trae consigo un incremento en la temperatura del recipiente y
decremento en la cantidad de los componentes menos volátiles a medida que avanza la
destilación. La destilación por lotes se utiliza en los siguientes casos:
I. Cuando la capacidad requerida es tan pequeña que no permite la operación continua a una
velocidad práctica. Las bombas, boiler, tuberías y equipos de instrumentación generalmente
tienen una capacidad mínima de operación industrial.
II. Los requerimientos de operación fluctúan mucho con las características del material
alimentado y con la velocidad de procesamiento. El equipo para operación por lotes
generalmente tiene mayor flexibilidad de operación que los que operan en forma continua.
Esta es la razón por la cual predomina el equipo de operación por lotes en plantas piloto.
III. La destilación intermitente se utiliza también cuando la mezcla a separar tiene un alto
contenido de sólidos. El uso de una unidad por lotes puede mantener a los sólidos separados
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y permitir que se remuevan fácilmente al final del proceso.
TIPOS DE DESTILACION
Destilación simple
La destilación simple se caracteriza porque 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.
Puede ser abierta o cerrada. En la destilación simple cerrada o de equilibrio, también
llamada destilación súbita o destilación flash, el producto a destilar se calienta y luego se
descarga en un recipiente a presión muy reducida, donde experimenta una expansión súbita
que conduce a la formación de las dos fases, vapor y líquido, en equilibrio.
En la destilación simple abierta se carga una caldera, de forma intermitente o de forma
continua, y el destilado se va recogiendo a la salida de un condensador. Obsérvese que,
mientras que en la destilación simple abierta continua y en la destilación simple cerrada, la
composición del líquido que hierve y la del destilado que se recoge (en fase vapor o en fase
líquida, tras su condensación) permanecen constantes con el tiempo, en la destilación
simple abierta diferencial, la composición del líquido cambia de forma continua y, en
consecuencia, también lo hace la del vapor; por tanto, el destilado que se va acumulando a
la salida del condensador tendrá una composición que será el resultado de la acumulación
de los sucesivos destilados de composición variable y, por tanto, no esta no estará en
equilibrio con el líquido que va que dando en cada momento en la caldera.
El aparato utilizado para la destilación en el laboratorio es el alambique. Consta de un
recipiente donde se almacena la mezcla a la que se le aplica calor, un condensador donde se
enfrían los vapores generados, llevándolos de nuevo al estado líquido y un recipiente donde
se almacena el líquido concentrado.
En la industria química se utiliza la destilación para la separación de mezclas simples o
complejas. Una forma de clasificar la destilación puede ser la de que sea discontinua o
continua.
Destilación fraccionada
La destilación fraccionada es una variante de la destilación simple que se emplea
principalmente cuando es necesario separar líquidos con punto de ebullición cercanos.
La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de
fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el
líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos". Esto facilita el
intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese
intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de
ebullición se convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullición pasan al
estado líquido.
Destilación azeotrópica
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Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que
posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso)
se comporta como un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente.
Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los
constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al
igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple.
El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo de ebullición
máxima y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo de ebullición
mínima, los sistemas azeotrópicos de ebullición mínima son más frecuentes que los de
ebullición máxima.
Un ejemplo es la mezcla de etanol y agua, que forma un azeótropo para una concentración
del 95% en peso de alcohol, que hierve a una temperatura de 78,2 ºC. Con una destilación
simple se obtiene un alcohol con esta concentración, pero para conseguir un compuesto más
puro se necesita utilizar recursos especiales como una destilación azeotrópica.
En química, la destilación azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un
azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la
de la mezcla etanol-agua. Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede ser
purificado a aproximadamente el 95%.
Una vez que se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de
actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la
mezcla también es de 95/5% etanol/agua, por lo tanto las destilaciones posteriores son
inefectivas. Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo
cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe
romperse para lograr una mayor concentración.
En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por ejemplo, la
adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeótropo. La
desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno. Otro método, la
variación de presión en la destilación, se basa en el hecho de que un azeótropo depende de
la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas,
sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo se salta, la
destilación puede continuar.
Destilación por arrastre de vapor
El hecho de que la temperatura de ebullición de los sistemas inmiscibles sea menor que la
de cualquiera de los componentes puros se aplica en la práctica de la destilación por
arrastre de vapor, en la uno de los componentes es el agua.
En la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectiva del
componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". Lo anterior se
logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla,
denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la de "arrastrar"
el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que
cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En este caso se
tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa),
por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. Es decir,
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cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido
puro a una temperatura de referencia
La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que
tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto
destilado volátil) formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del
producto y del agua fácilmente.
La destilación por arrastre se puede efectuar de dos modos diferentes:
a) Calentando la sustancia a arrastrar a expensas del calor latente del vapor de agua,
condensándose parcialmente dicho vapor.
b) Haciendo pasar vapor de agua a través de la sustancia a arrastrar a la vez que se
calienta indirectamente para evitar la condensación del vapor.
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