Destilación

La destilación es una de las operaciones unitarias más utilizadas, gracias a su efectividad para la separación de las mezclas líquidas, ya que después de efectuarse la operación se obtienen productos con purezas cercanas al 100%, además de que el control de la operación resulta relativamente más sencillo con respecto a otros procesos con los que no se puede alcanzar altas purezas.

DESTILACIÓN: Es el método de separación de mezclas líquidas con componentes de diferentes puntos de ebullición o presiones de vapor, evaporando parcialmente la misma y recuperando la porción evaporada (destilado) por medio de condensación.

En este proceso, la fase vapor, generada por una fuente de calor, se pone en contacto con una fase líquida para efectuar la transferencia de masa del líquido al vapor y del vapor al líquido, es decir, los componentes ligeros (de menor punto de ebullición) se transfieren al vapor y los pesados (de mayor punto de ebullición) al líquido, existiendo los mismos componentes en ambas fases pero con diferentes concentraciones, el vapor más concentrado en ligero y el líquido en pesado.

Evaporación de una mezcla de propano hexano

Fig. 1. Se ilustra el principio de operación del proceso de destilación tomando como ejemplo una mezcla de pentano y hexano en porciones iguales del 50 % cada una. El punto de ebullición del pentano es de 36.07 º C y el del hexano de 68.74 º C.

PROCESO CONTINUO DE DESTILACION

Fig. 2. Se ilustra la destilación en un proceso continuo en donde se tiene una sola fuente de calor y las demás porciones de líquido se evaporan con el calor de los vapores destilados de la porción de mezcla evaporada en la etapa anterior. Las concentraciones en el líquido y el vapor corresponden a las del equilibrio para esta mezcla a sus correspondientes temperaturas.

MÉTODOS DE DESTILACIÓN.

Los métodos que se utilizan en la práctica de la destilación, están basados en el hecho de que el vapor es siempre más rico en componente volátil que el líquido que lo origina, y son cuatro: Destilación diferencial o intermitente; destilación flash o de equilibrio; destilación por arrastre de vapor y rectificación o destilación fraccionada.

La rectificación o destilación fraccionada, es el método de mayor interés industrial; difiere de los otros dos métodos porque parte del vapor es condensado y regresado o reflujado como líquido a la torre de destilación, mientras que en la destilación diferencial y la destilación flash, el vapor se separa del líquido de donde se genera.

DESTILACIÓN DIFERENCIAL O INTERMITENTE

En la destilación diferencial la mezcla se hace hervir y el vapor generado se separa del líquido, condensándolo tan rápidamente como se genera. Los aparatos usados para este fin reciben el nombre de alambiques.

La destilación intermitente o diferencial es una operación intermitente en la que la mezcla se calienta hasta su temperatura de burbuja, comenzando la ebullición, que se mantiene. El vapor se condensa y se recoge en forma de líquido. A medida que se va evaporando el componente más volátil la temperatura de ebullición de la mezcla va aumentando. Este proceso se mantiene hasta que se recoge una cantidad prefijada de destilado o la composición de residuo es la que buscábamos.

Como la separación se realiza en una etapa, en la que el vapor formado no está en equilibrio con el líquido, la separación completa resulta imposible; se utilizan como separaciones preliminares, cuando no se requieren purezas elevadas, cuando las mezclas se separan fácilmente, cuando se disponen de mezclas relativamente pequeñas (a escala laboratorio).

DESTILACIÓN FLASH O DE EQUILIBRIO.

La destilación instantánea (flash), implica la evaporación de una fracción del líquido, generalmente por calentamiento a alta presión, manteniendo al vapor y al líquido el tiempo necesario para que el vapor alcance el equilibrio con el líquido, separando ambos finalmente.

La destilación “flash” o evaporación instantánea, también llamada destilación de equilibrio, es considerada como la separación de una fracción de una mezcla líquida por una reducción súbita de presión o depresionamiento de esta a un punto tal que la presión del sistema sea menor que la presión de vapor de la fracción que se desea separar, pero mayor que la presión de vapor de la fracción o componente que no se desea su evaporación.

DESTILACIÓN FLASH O DE EQUILIBRIO.

Este método se usa para separar mezclas con componentes de gran diferencia en sus temperaturas de ebullición.

La mezcla alimentada se encuentra en equilibrio, y la entrada al recipiente es el punto donde comienza la separación.

La temperatura del vapor es igual a la temperatura de condensación (punto de rocío) y la temperatura del líquido igual a la temperatura de ebullición (punto de burbuja).

Cuando la temperatura a la entrada es mayor que la temperatura de ebullición, toda la mezcla alimentada se evapora, por lo que el porcentaje de vapor será del 100%.

Cuando la temperatura a la entrada del recipiente es menor que la temperatura de condensación, entonces toda la mezcla alimentada permanecerá en estado líquido, y el porcentaje de vapor será del 0%.

Pero si la temperatura en la entrada esta entre la temperatura de ebullición y la temperatura de condensación, entonces parte la mezcla se evapora y parte permanece en estado líquido. Obteniéndose un destilado (D) en forma de vapores, el cual es rico en producto ligero, y un residuo (R) líquido el cual esta concentrado en producto pesado.

DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR

En la destilación por arrastre de vapor se emplea vapor vivo para provocar el arrastre de la sustancia volátil que se desea separar, esta sustancia debe ser insoluble en el agua para que se pueda separar por si sola posteriormente.

Por este medio se abate la temperatura de ebullición y así, aquellos compuestos que pudieran descomponerse si se los llevara a su temperatura de ebullición, se logran separar con éxito. Es muy usada para obtener esencias aromáticas.

En algunos procesos de refinación del petróleo, se inyecta vapor por el fondo de las columnas, para efectuar el arrastre de hidrocarburos hacia el domo.

DESTILACIÓN FRACCIONADA

La DESTILACIÓN FRACCIONADA es el método más empleado actualmente para separar los componentes de una mezcla líquida. Incluye el retorno de una parte del vapor condensado al equipo, de tal manera que el líquido que se regresa entra en contacto íntimo a contracorriente con los vapores que se dirigen al condensador. Este tipo de destilación es continua y permite manipular grandes cantidades de materiales y el reflujo hace posible alcanzar purezas elevadas en los productos destilados.

La rectificación permite obtener un vapor sustancialmente más rico en el componente más volátil, que el líquido que queda en el destilador. La rectificación se desarrolla en una columna de fraccionamiento a través de evaporaciones y condensaciones sucesivas a lo largo de la columna.

En las torres de destilación fraccionada se consideran dos secciones de la misma. Del plato inmediato superior al de alimentación hacia arriba se considera la ZONA DE RECTIFICACIÓN y del plato de alimentación hacia abajo se considera la ZONA DE AGOTAMIENTO.

DESTILACIÓN FRACCIONADA.

Para aumentar la concentración del componente más volátil en el vapor, la corriente de vapor procedente del rehervidor se pone en contacto con el líquido hirviente que desciende por la columna (reflujo), este líquido es rico en el componente más volátil y se produce una transferencia de materia del componente más volátil desde el líquido hacia el vapor; y así sucede en cada una de las etapas de la columna.

El reflujo que entra por la parte superior de la columna está a la temperatura de ebullición; en el resto de la columna el líquido está a temperatura de ebullición y el vapor a temperatura de condensación; la temperatura aumenta a medida que se desciende en la columna debido al aumento de concentración del componente menos volátil (más pesado).

Al enriquecimiento del vapor en componente más volátil o ligero, al atravesar la columna en contacto con el reflujo se conoce como rectificación.

Se llama agotamiento a la disminución de la concentración del componente menos volátil (ligero), lo cual sucede a medida que se desciende en la columna a partir de la alimentación.

Separación de propano del butano por destilación

(depropanizadora).

DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA.

Un azeótropo es una mezcla líquida de dos o más componentes que poseen un único punto de ebullición constante y fijo; que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido 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 es azeótropo de ebullición mínima.

Azeótropo.

Ambos azeótropos presentan una característica común, que la composición de la fase líquida y vapor en equilibrio líquido-vapor es idéntica en el punto donde se forma el azeótropo. 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 95%, pero para conseguir un compuesto más puro se necesita utilizar recursos especiales como la destilación azeotrópica. El etanol en concentraciones mayores al 99% se usa como combustible de autos en algunos países.

Otros ejemplos de mezclas azeotrópicas son:

Ácido nítrico (68,4 %) / agua, hierve a 122 °C.Ácido perclórico (28,4 %) / agua, hierve a 203 °C (azeótropo negativo).Ácido fluorhídrico (35,6 %) / agua, hierve a 111,35 °C (azeótropo negativo); Etanol (95%) / agua, hierve a 78,2 °C; Ácido sulfúrico (98,3%) / agua, hierve a 336 °C;Acetona / metanol / cloroformo forma un azeótropo intermedio.

TIPOS DE COLUMNAS O TORRES DE DESTILACIÓN

Para que pueda efectuarse el proceso de destilación se requiere que la corriente de vapores que asciende entre en contacto con la corriente de líquido que desciende, ya que de esta manera se lleva cabo la transferencia de materia y calor entre las dos fases de esta operación.

Existen varios tipos de torres que hacen posible este método de separación y dependiendo de su construcción será el tipo de equipo.

FACTORES PARA LA ELECCION DE TORRES DE DESTILACIÓN

Propiedades físicas de los productos de la mezcla.

Concentraciones de los productos separados (domo y fondo).

Las condiciones de temperatura y presión.

Flujo de alimentación de la mezcla a separar.

TORRES DE PLATOS.Las torres de platos o charolas son las más utilizadas para las operaciones de destilación, la función de un plato es retener una porción de líquido haciéndolo circular a lo largo de su superficie y al mismo tiempo dejar pasar los vapores que suben en el interior de la torre. Entre los tipos de platos que se utilizan, los más comunes son los de cachuchas de burbujeo, de válvulas o balastras y los perforados.

Flujo de vapores a través de los platos.

Diferentes tipos de válvulas o balastras

PLATO PERFORADO.Consiste en un plato tipo tamiz horizontal (A); perforado con agujeros de hasta 12 mm de diámetro (B); un tubo descendente (C), cuya parte superior actúa como vertedero; un tubo procedente del plato superior (D), que funciona como bajante. El líquido desciende de un tubo a otro a través de los tubos descendentes D y C y de los agujeros del plato. El vapor asciende a través de las perforaciones formando un burbujeo en íntimo contacto con el líquido; debido las temperaturas de operación el líquido se encuentra en ebullición generando los vapores.

VENTAJAS DE LAS TORRES DE PLATOS.

1. Se instalan con facilidad serpentines de enfriamiento en los platos, lo que los hace más conveniente cuando el calor de solución requiere enfriamiento interno (en mezclas exotérmicas).

2. Pueden manejar volúmenes más altos de líquidos, cuando está bien diseñada el área de las bajantes.

3. Para flujos de líquido extremadamente bajos (Ej. en la deshidratación de gas natural con glicol), las torres se diseñan para retener una cantidad dada de líquido en el plato.

4. Se pueden preferir ciertos tipos de torres de platos, cuando hay deposiciones de materiales sólidos que se deben retirar periódicamente. La limpieza de las torres de platos se puede hacer por las entradas de acceso, mientras que las torres empacadas obligan a sacar el empaque para la limpieza.

5. El peso total de la torre de platos suele ser menor que el de una torre empacada, diseñada para el mismo servicio. La resistencia limitada a la trituración de muchos materiales de relleno puede hacer obligatorio el uso de platos múltiples de soporte del empaque, para sostener el peso, de la columna empacada.

6. Se prefieren columnas de platos para las operaciones que requieren un gran número de unidades de transferencia o platos teóricos. Las torres empacadas tienden a someterse al encauzamiento (canalización) de las corrientes de vapor y líquido, y la distribución adecuada es difícil de mantener sin patrones bastantes elaborados de redistribución.

Espaciamiento entre platos

Los platos deben separarse una distancia tal que permita la separación del líquido y el vapor tanto en las bajantes como el área activa.

El espaciamiento entre platos tiene un efecto importante en la inundación, varía de 12” en torres pequeñas a 48” en grandes columnas de vacío, y el espaciamiento más común es de 24” (60.96 cm).

Cuando se maneja gran cantidad de líquido en el plato puede aumentarse el número de pasos del líquido en el plato, aunque el área activa decrece conforme el número de pasos aumenta.

La eficiencia del plato será menor incrementando el número de pasos, debido a que la longitud para la trayectoria del líquido en el área activa será menor.

Número de pasos del plato

Distribución del líquido en los platos de la torre.

Funcionamiento de los platos a diferentes cargas.

Platos soporte y distribuidores.

Unidad de destilación atmosférica.

unidad de destilación de vacío.