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DESTILACIONLa destilacin es una operacin unitaria mediante la cual se consigue la separacin de los componentes de una mezcla liquida por vaporizacin parcial de la misma. En la evaporacin y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos voltil; el componente ms voltil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilacin es obtener el componente ms voltil en forma pura. En la industria alimentaria la destilacin se utiliza principalmente en la concentracin de aceites esenciales, aromas y bebidas alcohlicas, y en la desodorizacin de grasas y aceitesLa destilacin puede llevarse a cabo de diferentes formas: Hay dos tipos bsicos: destilacin sin reflujo o destilacin simple y destilacin con reflujo o rectificacin. Destilacin simpleEs la operacin de hervir una mezcla liquida contenida en un recipiente , la caldera, condensndose posteriormente el vapor que constituir el destilado, quedando en la caldera el residuo. Esta operacin puede realizarse de forma continua , alimentando mezcla liquida a la caldera y extrayendo residuo y destilado continuamente, cuyas composiciones permanecen constantes o de forma discontinua, con lo que la composicin del vapor y liquido cambiaran con el tiempo.

Destilacin sbitaEs una variante de la destilacin simple en la que se calienta el alimento a temperatura elevada pero mantenindose a una presin alta de manera que no hierva. A continuacin, se expansiona el liquido calentando en una columna hasta una presin menor abandonando esta una fase vapor, rica en componentes voltiles, y una fase liquida, rica en no voltiles, y ambas fases estarn en equilibrio en las condiciones de presin y temperatura de la columna.Tambin llamada destilacin sbita o flash, suele efectuarse operando de forma continua. Una alimentacin lquida de composicin XF y caudal molar F se calienta a una temperatura determinada y a continuacin se descomprime bruscamente, reduciendo su presin a travs de una vlvula de expansin. Esta descompresin sbita provoca una vaporizacin parcial del lquido, por lo que se originan en el destilador dos corrientes, una de vapor, V, y otra de lquido, L, en equilibrio, (figura 13.5).

Destilacin con reflujo o rectificacinUna fase vapor ascendente se pone en contacto con una fase liquida descendente en el interior de una columna, transfirindose materia del liquido al vapor y de ste al liquido. Los componentes mas pesados pasan del vapor al liquido y los componentes ms voltiles del liquido al vapor, con lo que el vapor se enriquece en componentes voltiles y la corriente liquida se agota en los mismos. El vapor abandona la cabeza de la columna se condensa y parte de esta se devuelve a la columna como reflujo y el resto se retira como producto destilado. El calor necesario para la generacin de la corriente de vapor se suministra en la caldera, de donde se extrae el residuo.Representacin simplificada de una columna de rectificacin: 1 alimento, 2 dispositivo de calefaccin del fondo, 3 residuo, 4 fondo de la columna (caldern), 5 producto de cabeza (destilado), 6 reflujo, 7 condensador, 8 cabeza de la columna, 9 platos de borboteo (en la figura: tipo campana); x fase lquida, y fase de vapor

Destilacin por arrastre de vaporEs una variante de la rectificacin en la que el calor suministrado en la caldera es sustituido por una corriente de vapor de agua recalentado. La presencia de este nuevo componente disminuye la presin parcial de los componentes de la mezcla liquida alimento, con lo que la temperatura de vaporizacin es inferior, lo que resulta especialmente til cuando los componentes de la mezcla alimento son sensibles al calorDestilacin extractiva y la azeotrpicaSon destilaciones en las que la separacin a efectuar se hace posible o se facilita por adicin de un nuevo componente llamado agente separador. En la destilacin azeotrpica, el agente separador forma un azetropo con uno de los componentes de la mezcla a separar. El azetropo puede despus romperse mediante diversos procedimientos. En la destilacin extractiva, el agente separador, que es mucho menos voltil que los componentes a separar, reduce la volatilidad de alguno de ellos, arrastrndolo hacia la base de la columna de rectificacin.En cuanto al contacto de la fase vapor y la fase liquida a lo largo de una columna de rectificacin, este puede ser discontinuo (columna de pisos o de platos) o continuo (columna de relleno)Las columnas de pisos consistentes en una cmara cilndrica vertical con platos horizontales separados a intervalos regulares. El plato queda cubierto de liquido, que desborda hacia el plato inferior por uno o varios conductos. Estos se sumergen en el liquido, que hace de cierre hidrulico. De este modo, el vapor en su marcha ascendente por la columna atraviesa cada plato, borboteando en el liquido, consiguindose as un buen contacto entre el vapor y el liquidoEn una columna de platos la separacin de los componentes de una mezcla ser tanto mas perfecta cuanto mayor sea el numero de pisos de la columna. En cada piso, se supone que el vapor que lo abandona para ascender al superior y el liquido que desciende al inferior estn en equilibrio. A un piso que cumpla esta condicin se le llama piso terico.Sin embargo, en la realidad nunca se dar este caso, pues el numero de pisos reales para conseguir una cierta separacin es siempre superior al numero de pisos tericos. As la eficiencia de piso indica el grado de aproximacin al equilibrio.

Eficiencia de piso = n pisos tericos/n pisos realesLa altura de la columna se obtendr multiplicando el numero de pisos reales por la separacin entre pisos Equilibrio liquido-vapor en mezclas binariasEn general, y por ser de carcter mas sencillo se abordara el estudio de mezclas binarias, pero la mayora de los conceptos estudiados pueden aplicarse tambin a mezclas multicomponnetes Diagrama de equilibrioDado que solo se consideran mezclas binarias completamente miscibles, el numero de fases presentes sern dos (fase liquida y fase vapor) y el numero de componentes tambin dos. Por tanto, de acuerdo con la regla de las fases para un sistema binario existirn dos grados de libertad o variables independientes en el sistema considerado. Es decir, las variables intensivas independientes del equilibrio liquido-vapor sern, pues, dos de estas cuatro: presin, temperatura y composicin de cada una de las fases. De tal modo que fijadas la presin y la temperatura quedan automticamente fijadas la composicin de la fase liquida y vapor.Los diagramas mas utilizados son las isotermos y los isbaros y dado que generalmente se trabaja a presin constante, estos ltimos son los mas interesantes. Dentro de los diagramas isbaros podemos distinguir : diagramas temperatura-composicin y diagramas composicin del vapor-composicin del liquido.

Calculo del equilibrio liquido-vapor para mezclas binarias idealesEn un sistema liquido-vapor en equilibrio el vapor estar a su temperatura de roco y el liquido a su temperatura de burbuja, coincidiendo naturalmente ambas temperaturas, que constituyen la de equilibrio. La temperatura de burbuja se define como la temperatura a la que se inicia la ebullicin de una mezcla liquida a una cierta presin , mientras que la temperatura de roco es la temperatura a la que se inicia la condensacin de una mezcla vapor a una determinada presin.

Supongamos una disolucin ideal liquida (cumple la ley de Raoult) que contiene dos sustancias 1 y 2, con fracciones molares conocidas de cada uno de los componentes ( x1 y x2 ). Si se calienta la mezcla a presin constante, P, hasta su temperatura de burbuja, TB , la adicin extra de una pequea cantidad de calor producir la formacin de una burbuja de vapor. Como sta est en equilibrio con el liquido y se supone que la disolucin es ideal, las presiones parciales de cada uno de los componentes se pueden determinar mediante la ley de Raoult

( 1 )

( 2 )

( 3 )La temperatura de burbuja podr calcularse mediante un mtodo iterativo, determinando el valor de sta que satisface la ecuacin ( 3 ) . Para ello, nicamente se necesitara disponer de los valores de las presiones de vapor de cada uno de los componentes en funcin de la temperatura (tablas de presin o ecuacin de Antoine)Una vez determinada la temperatura de burbuja, la composicin de la fase vapor podr determinarse , evaluando la presin parcial de cada componente mediante la ecuacin (1) y calculando la fraccion molar de cada componente ( y1 e y2 ) en la fase vapor a partir de la ley de Dalton

( 4 )

de donde( 5 )La temperatura de roco (TR) de una mezcla de vapores puede determinarse de un modo similar. Si la mezcla de vapor condensa a su temperatura de roco, se encontrar en equilibrio con la primera gota de liquido que se ha formado. Si el liquido es una disolucin ideal entonces la composicin de la fase liquida y la fase gaseosa estarn relacionadas por las leyes de Raoult y DaltonLa fraccin molar en la fase liquida podr calcularse mediante la ecuacin

( 6 )Teniendo en cuenta que la suma de las fracciones debe dar 1 tenemos

( 7 )o bien

( 8 )Siguiendo un mtodo iterativo idntico al anterior, se determinara el valor de T que satisface la ecuacin ( 8 ) Un concepto muy til, en clculos ingenieriles, que relacionan los valores de equilibrio de los composiciones de un sistema, es la volatilidad relativa. La volatilidad relativa 12 , se define de acuerdo con la siguiente ecuacin.

Como en mezclas binarias , y2 = 1 y1 y x2 = 1 x1 se tiene:Esta relacin permite calcular la composicin del vapor para cualquier valor de x, si se conoce la volatilidad relativa.Si el sistema se comporta en forma ideal, es fcil demostrar que

De donde se obtiene

es decir , la volatilidad relativa es una constante. En el caso de que P1o = P2o , entonces 12 = 1 , y la separacin por destilacin no ser posible . Cuanto mayor sea la diferencia de la volatilidad relativa respecto de la unidad, mas sencilla resultara la separacin de los componentes mediante la destilacin

Mediante un balance de materia total y otro del componente ms voltil de la mezcla, se obtiene: F = L + V; F. XF = V.Y + L.X, o sea: Y = (F/V).XF - (L/V).XY combinando ambos balances: Y = XF - (L/V).(X-XF) (13.5)Que en el diagrama Y/X de la figura anterior representa una recta de pendiente -L/V, que pasa por el punto (XF,XF).Por otro lado, L/V = (Y-XF)/(XF-X) (13.6)representa la "regla de la palanca" sobre el diagrama T-X,Y, y permite calcular las cantidades molares relativas de ambas fases, L/V, y la composicin de las mismas.Este tipo de destilacin se utiliza con frecuencia en la industria derivada del petrleo; el producto a tratar se hace pasar por un horno tubular donde se calienta a la temperatura deseada para su posterior descompresin y desdoblamiento de fases.Si el calor aportado es tal que slo permite alcanzar el punto de burbuja, con una produccin mnima de vapor,, la riqueza en componente voltil del destilado ser mxima, mientras que la del producto lquido ser igual a la de la alimentacin.En el otro extremo, si el calor aportado es tal que se alcanza el punto de roco, la produccin de vapor ser mxima, , pero la riqueza en voltil del destilado ser mnima, ( Y = XF), y quedar un producto lquido, de mxima concentracin en componente pesado.La destilacin flash es, por tanto, un equipo muy limitado en cuanto al grado de separacin de A y B que se puede obtener; cuanta mayor riqueza se pretenda conseguir en una de las corrientes de producto,, menor ser el caudal de ese producto.