Destilación: Principios Básicos De Diseño

DESTILACIÓN: Principios Básicos de Diseño

Ing. Carlos Angeles Queirolo Profesor de la Facultad de Ingeniería Química Universidad Nacional del Callao

 Principio de la destilación

La destilación por otra parte está relacionada con la separación de soluciones donde todos los componentes son apreciablemente volátiles. Los componentes tienen diferentes puntos de ebullición. 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 concentrarse en la fase liquida.

 En la destilación la nueva fase difiere de la original por su contenido calórico, pero el calor se adiciona o extrae rápidamente sin dificultad; aunque, por supuesto, deberá inevitablemente considerarse el costo para hacer esto.

 Aplicando calor, podemos evaporar prácticamente la solución y crear de tal manera una fase vapor consistente de los mismos componentes pero más rico en los más volátiles que en el líquido residual, por consiguiente tendremos como resultado un cierto grado de separación.

 Existen ciertas limitaciones para destilación como método de separación.

utilizar

la

El vapor que puede crearse mediante la aplicación de

calor, inevitablemente está formado solamente por los componentes del liquido. Por lo tanto como el vapor es químicamente muy parecido al liquido, el cambio en composición resultante de la distribución de los componentes entre las dos fases no es generalmente muy grande.  Sin embargo, la separación directa que es posible generalmente mediante la destilación y que permite obtener productos puros que no requieren un procedimiento posterior, ha hecho de la destilación una de las más importantes operaciones con transferencia de masa.

DESTILACION Operación con transferencia de masa directa entre una fase líquida y una fase vapor, cuya finalidad es que dada una solución de dos o más componentes se separarán al mayor estado de pureza posible por vaporización parcial de la fase líquida mediante un adecuado suministro de calor y posterior condensación de los vapores producidos, debido a la diferencia de volatilidades de los mismos.

APLICACIONES

 Se puede afirmar que prácticamente en cualquier proceso químico va a aparecer una destilación debido a la necesidad de separación de ciertos componentes de otros menos valiosos.  Se emplean en numerosas industrias desde la industria petroquímica a la farmacéutica.  Las mayores unidades se encuentran generalmente en la industria del petróleo

Destilación de crudo/petróleo

En las refinerías de petróleo aparecen numerosas unidades de destilación que separan diversos productos según su aplicación.

En plantas petroquímicas, por ejemplo en la producción de etileno. El etileno se produce principalmente por craqueo con vapor de naftas, etileno o GLP y es necesario efectuar una destilación para la obtención del producto final.

Planta productora de etileno

 Plantas que procesan gas natural.  Separación de los compuestos aromáticos tales como benceno de tolueno.  Plantas productoras (destilerías).

de

bebidas

alcohólicas

 Separación del aire con el fin de obtener nitrógeno y oxígeno puros para su empleo en la industria electrónica.

 Obtención de aceites materias aromáticas.

esenciales

a

partir

de

 Reciclado de solventes

 Destilación de fragancias y saborizantes En los procesos de purificación de los productos obtenidos a partir del alquitrán de hulla, trementina, glicerina, ácidos grasos, perfumes, formaldehído, acetona, alcanfor, fenol, ácido acético y un cúmulo de productos orgánicos y farmacéuticos se utiliza la destilación en una o más de sus diversas formas.

Métodos de Destilación

La operación de destilación se puede llevar de diversas formas:

 Operación en flujo continuo o discontinuo  Contacto continuo o discontinuo,  En una sola etapa o en varias  A presión atmosférica, a presiones mayores ó al vacío.

Según el procedimiento de efectuar la operación de destilación, podemos distinguir los siguientes métodos más comunes:  Destilación en equilibrio o vaporización instantánea  Destilación por lotes o discontinua  Destilación fraccionada o rectificación continua

Entre otros métodos también podemos distinguir:

 Destilación azeotrópica  Destilación extractiva  Destilación molecular  Destilación por arrastre con vapor

Destilación en equilibrio  Se le conoce también como: Destilación instantánea, Destilación Evaporación rápida, Vaporización instantánea,

flash,

 Método de destilación que se realiza en una etapa.

 Puede llevarse a cabo en flujo continuo o discontinuo. Frecuentemente se hace en forma continua.

 Debido a que el grado de separación que se alcanza es

pobre, este método es utilizado como un equipo de separación preliminar.

El diseño y construcción del equipo Se La La mezcla destilación lleva a líquida unen otanque equilibrio alimentación separador, es una (F) aseguran un equilibrio simple entre recibe donde operación calor el vapor que (agente consiste producido de separación) ense que llevalaaal las fases líquida y vapor, asumiendo través equilibrio mezclade líquida con un intercambiador elo líquido alimentación remanente, de(F)calor se y que existe una adecuada mezcla en la y, las evapora luego fasesde parcialmente, líquida pasar a(L)través yllevando vapor de una el (V) línea de alimentación y una adecuada válvula resultantes vapor reductora producido se separan de (V) presión al y se equilibrio extraen o de separación de fases en el separador. expansión. del posteriormente. conequipo el líquido remanente (L).

Vapor V, moles/h yi

Alimentación F , moles/h ziF

Líquido L , moles/h xi

Destilación por lotes o discontinua Este método de destilación es discontinua, en la

una operación

que la mezcla líquida a

separarse en sus componentes se carga por lotes

o partidas (Batch-wise) mientras que el vapor producido es removido continuamente.

Se pueden distinguir dos modos de operación:



Destilación diferencial o Batch simple



Destilación discontinua con rectificación

Destilación Diferencial o Batch Simple El puede ser recogido Los Sedestilado carga vapores una producidos determinada se en varias en partidas, denominadas eliminan cantidad deforma la mezcla continua en al “cortes”, pararápidamente dar alunaequipo, serie de ser faseenviados líquida (F) a un productos destilados condensador, produciéndose sin vaporización que de el distinta líquido pureza o en(Destilado) una sola partida, condensado mediante un adecuado retorne obteniéndose un destilado al suministro equipo, de recogiéndose calor. en un global. colector.

Vapor de agua

Carga Líquida (F)

VAPOR

Al condensador

Condensado

A medida que transcurre la destilación, el líquido se empobrece en los componentes más volátiles, elevándose continuamente la temperatura de ebullición del líquido remanente.

De la misma manera, los vapores producidos son cada vez más pobres en estos componentes.

Vapor de agua

Carga Líquida (F)

VAPOR

Al condensador

Condensado

Se utiliza ampliamente en el laboratorio y en unidades

de producción a pequeña escala.

Destilación discontinua con Rectificación La cantidad inicial de material se alimenta al El condensado se separa destilador y se separa en dos fracciones, una se continuamente la fase retira como producto vapor resultante, el que Destilado y la otra se es llevado a un retorna al equipo como condensador donde se corriente de Reflujo. licúa.

Reflujo

Destilado

Condensado

Vapor de agua

Carga líquida (F)

Se se puede operar constante manteniendo Si mantiene el constante la corriente de reflujo, composición del reflujo o lavariarse de manera arbitraria. destilado varía continuamente.

Reflujo

Destilado

Para fijar la composición del destilado, se incrementará de modo paulatino la relación de reflujo.

Condensado

Vapor de agua

Carga líquida (F)

Son económicas para pequeños volúmenes. Son flexibles dado que permiten cambios en la formulación del producto y en los ratios de producción. Se utilizan equipos multi-propósito para la producción de una variedad de productos en la misma planta.

Son mejores si el equipo requiere de una limpieza regularar por problemas de fallos o la necesidad de una esterilización regular. Permite una mejor integridad del producto: Cada proceso puede ser claramente identificado en términos de la mezcla utilizada y de las condiciones del proceso. Importante en la oindustria farmacéutica y de alimentos)

Destilación Fraccionada o Rectificación Continua

La destilación fraccionada es un método que se lleva a cabo en flujo continuo, y en contracorriente,

realizada

de manera tal que el vapor

que fluye a través del equipo se pone en contacto con una porción

condensada

del

vapor, previamente producido en el mismo aparato.

El líquido fluye a lo largo del equipo en forma descendente por gravedad, mientras que el vapor lo hace en forma ascendente debido a una caída de presión.

El equipo para llevar a cabo la destilación fraccionada, al que denominaremos columna de destilación, es un cilindro vertical que contiene algún dispositivo interno que favorece el contacto entre el líquido y el vapor, y en consecuencia la transferencia de masa entre las fases.

Adicionalmente, por lo general se requiere de un condensador y de un recalentador.

Según

los

dispositivos

internos que favorecen el

contacto entre las fases líquida y vapor, se tiene la columna provista de platos o bandejas y la columna con relleno.

QC

Lo

QC

Lo

D

D

F

F

L

V

QR

L

B Columna de platos

QR

V

B Columna con relleno

Zona de Enriquecimiento ó Rectificación: donde se separan los componentes menos volátiles del vapor que fluye hacia arriba, el cual se enriquece en los componentes más volátiles

QC

Lo

D

F Zona de Empobrecimiento ó Desorción: donde se separan los componentes más volátiles del líquido que fluye hacia abajo.

L

QR

V

B

El vapor (V) líquida que saleque porretorna el topepor de ella extremo columna superior se lleva La corriente un la intercambiador de calor que (Lo), es unmientras condensador, de columna se denomina reflujo que la donde ésteque es se licuado total o parcialmente. corriente elimina continuamente por La el carga parte calórica es en el el producto condensador (QC) representa la cantidad superior destilado (D) o producto de tope energía ambas necesaria que debeestán retirarse para conseguir odecabeza, corrientes enriquecidas en los la condensación o parcial componentes mástotal volátiles. QC

QC

V

V

D Lo Condensador total

D

Lo

Condensador parcial

QC

V

Lo

D

Condensador total: Todo el vapor que sale por el extremo superior de la columna es condensado completamente, por lo que se obtiene un líquido en su punto de burbuja o por debajo del punto de burbuja.

En este caso, dado que solo existe un cambio de fase tanto la corriente de vapor (V), el producto destilado (D) y la corriente de reflujo (Lo) tienen la misma composición.

Condensador parcial: Solo es posible condensar parte del vapor.

QC

V

Se enfría el vapor lo suficiente para condensar el reflujo líquido necesario (Lo) y se retira la fracción no condensada como destilado (D).

D Lo

En este caso, considerando que se alcanza una condensación de equilibrio, tanto la corriente de vapor (V), el producto destilado (D) y la corriente de

reflujo (Lo) tienen diferente composición.

L

QR

V

B

El líquido (L) que sale por el fondo de la columna es llevado a un intercambiador de calor, que es el recalentador, donde es evaporado parcialmente.

La carga calórica en el recalentador (QR) representa la cantidad de energía necesaria que debe suministrarse para conseguir la vaporización parcial. El vapor producido (V) es retornado a la columna, mientras que el líquido se extrae como producto de fondos o residuo (B), el que está enriquecido en los componentes menos volátiles.

Destilación azeotrópica  Este método es un caso especial de la destilación fraccionada de componentes múltiples.  El método es aplicado en la separación de mezclas binarias que son difíciles o imposibles de separar mediante la rectificación continua.  Cuando se quiere separar una mezcla binaria que tiene una volatilidad relativa muy baja para la obtención de productos de alta pureza se requeriría de un equipo con un elevado número de bandejas y con una gran sección transversal, así como altos requerimientos calóricos y elevadas relaciones de reflujo.

 En otros casos, la formación de un azeótropo puede hacer imposible la separación de productos puros por medio de la destilación fraccionada.

En estas condiciones se adiciona un tercer componente a la mezcla binaria para formar un azeótropo nuevo con punto de ebullición bajo, con uno de los componentes de la mezcla binaria original, cuya volatilidad sea tal que pueda separarse del otro componente original.

Destilación extractiva Este es un método de destilación fraccionada para componentes múltiples cuyos fines son análogos a la destilación azeotrópica. A una mezcla binaria que sea difícil o imposible de separar se le adiciona un tercer componente, denominado solvente, de modo tal que altera la volatilidad relativa de los componentes originales, posibilitando así la separación.

El solvente adicionado es de baja volatilidad y no se evapora apreciablemente en el fraccionador.

Destilación por arrastre de vapor  Este método consiste en la inyección directa de

vapor de agua sobrecalentado a la mezcla líquida a destilar, la solubilidad del vapor en el líquido debe ser muy baja. (Separación de sustancias insolubles en

agua

y

ligeramente

volátiles

de

otros

no

volátiles).  Se aplica en los casos en que la mezcla a destilar

tiene un punto de ebullición elevado y especialmente en

los

casos

en

que

puede

tener

lugar

la

descomposición de algún componente de la mezcla si se aplica la destilación directa.

 La presencia de este nuevo componente reduce la presión parcial de los componentes a destilar con lo

que

la

inferior,

temperatura lo

que

es

de

vaporización

útil

cuando

puede

ser

determinados

componentes de la mezcla son sensibles al calor.

 En las operaciones habituales el vapor de agua no llega a condensar, por lo que abandona el equipo con el destilado, separándose posteriormente del mismo.

 Las sustancias arrastrables con vapor son inmiscibles en agua, tienen presión de vapor baja y punto de ebullición alto.  Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual a suma de las presiones de vapor de cada líquido es igual a la presión atmosférica.

 La destilación por arrastre de vapor sirve para separar aceites esenciales de tejidos vegetales. Los aceites esenciales son mezclas complejas de hidrocarburos, terpenos, alcoholes, compuestos carboxílicos, aldehídos aromáticos y fenoles.