DESTILACIÓN FRACCIONADA

Teoría de la destilación

En la mezcla simple de dos líquidos solubles entre sí, la volatilidad de cada uno es perturbada por la presencia del otro. En este caso, el punto de ebullición de una mezcla al 50%, por ejemplo, estaría a mitad de camino entre los puntos de ebullición de las sustancias puras, y el grado de separación producido por una destilación individual dependería solamente de la presión de vapor, o volatilidad de los componentes separados a esa temperatura. Esta sencilla relación fue anunciada por vez primera por el químico francés François Marie Raoult (1830-1901) y se llama ley de Raoult. Esta ley sólo se aplica a mezclas de líquidos muy similares en su estructura química, como el benceno y el tolueno. En la mayoría de los casos se producen amplias desviaciones de esta ley. Si un componente sólo es ligeramente soluble en el otro, su volatilidad aumenta anormalmente. En el ejemplo anterior, la volatilidad del alcohol en disolución acuosa diluida es varias veces mayor que la predicha por la ley de Raoult. En disoluciones de alcohol muy concentradas, la desviación es aún mayor: la destilación de alcohol de 99% produce un vapor de menos de 99% de alcohol. Por esta razón el alcohol no puede ser concentrado por destilación más de un 97%, aunque se realice un número infinito de destilaciones.

Aparato de destilación antiguo

Técnicamente el término alambique se aplica al recipiente en el que se hierven los líquidos durante la destilación, pero a veces se aplica al aparato entero, incluyendo la columna fraccionadora, el condensador y el receptor en el que se recoge el destilado. Este término se extiende también a los aparatos de destilación destructiva o craqueo. Los alambiques para trabajar en el laboratorio están hechos normalmente de vidrio, pero los industriales suelen ser de hierro o acero. En los casos en los que el hierro podría contaminar el producto se usa a menudo el cobre, y los alambiques pequeños para la destilación de whisky están hechos frecuentemente de vidrio y cobre. A veces también se usa el término retorta para designar a los alambiques.

Destilación Fraccionada

En el ejemplo anterior, si se consigue que una parte del destilado vuelva del condensador y gotee por una larga columna a una serie de placas, y que al mismo tiempo el vapor que se dirige al condensador burbujee en el líquido de esas placas, el vapor y el líquido interaccionarán de forma que parte del agua del vapor se condensará y parte del alcohol del líquido se evaporará. Así pues, la interacción en cada placa es equivalente a una redestilación, y construyendo una columna con el suficiente número de placas, se puede obtener alcohol de 95% en una operación individual. Además, introduciendo gradualmente la disolución original de 10% de alcohol en un punto en mitad de la columna, se podrá extraer prácticamente todo el alcohol del agua mientras desciende hasta la placa inferior, de forma que no se desperdicie nada de alcohol.

Este proceso, conocido como rectificación o destilación fraccionada, se utiliza mucho en la industria, no sólo para mezclas simples de dos componentes (como alcohol y agua en los productos de fermentación, u oxígeno y nitrógeno en el aire líquido), sino también para mezclas más complejas como las que se encuentran en el alquitrán de hulla y en el petróleo. La columna fraccionadora que se usa con más frecuencia es la llamada torre de burbujeo, en la que las placas están dispuestas horizontalmente, separadas unos centímetros, y los vapores ascendentes suben por unas cápsulas de burbujeo a cada placa, donde burbujean a través del líquido. Las placas están escalonadas de forma que el líquido fluye de izquierda a derecha en una placa, luego cae a la placa de abajo y allí fluye de derecha a izquierda. La interacción entre el líquido y el vapor puede ser incompleta debido a que puede producirse espuma y arrastre de forma que parte del líquido sea transportado por el vapor a la placa superior. En este caso, pueden ser necesarias cinco placas para hacer el trabajo de cuatro placas teóricas, que realizan cuatro destilaciones. Un equivalente barato de la torre de burbujeo es la llamada columna apilada, en la que el líquido fluye hacia abajo sobre una pila de anillos de barro o trocitos de tuberías de vidrio.

La única desventaja de la destilación fraccionada es que una gran fracción (más o menos la mitad) del destilado condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra vez, con lo cual hay que suministrar más calor. Por otra parte, el funcionamiento continuo permite grandes ahorros de calor, porque el destilado que sale puede ser utilizado para precalentar el material que entra.

Cuando la mezcla está formada por varios componentes, estos se extraen en distintos puntos a lo largo de la torre. Las torres de destilación industrial para petróleo tienen a menudo 100 placas, con al menos diez fracciones diferentes que son extraídas en los puntos adecuados. Se han utilizado torres de más de 500 placas para separar isótopos por destilación.

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Gráfica de una destilación fraccionada

Azeótropos

Azeótropo (del griego, hervir sin cambio). Un azeótropo es una solución que se comporta como si fuera un líquido puro, ya que ebulle a una temperatura única y no en un intervalo de temperaturas (como las soluciones).

Mezcla azeotrópica es una mezcla de composición constante que secomporta como un líquido puro, destilandocon un punto de ebullición constante. Una mezcla azeotrópica tiene la propiedad de que los componentes no pueden separarse por destilación fraccionada a presión común. Un ejemplo lo constituye la mezcla al 69 % p/p de acetato de etilo y etanol, cuyo vapor tiene la misma composición que la solución original, es decir que hierve como si se tratara de una sola sustancia.

AZEOTROPOS DE PUNTO DE EBULLICION MÍNIMO

El azeótropode punto de ebullición mínimo consiste en unaasociación de moléculas que a una presión determinadadestilan juntas en una determinada proporción a unatemperatura menor que cualquiera de los componentes dela mezcla.

Ejemplo: Supongamos que queremos destilar una mezcla dedos componentes A y B (Composición 66,6% de A y 33% deB).

P. ebullición de A: 80°C
P. ebullición de B: 96°C


La mezcla forma un azeótropo de proporción AB3 , que ebulle a 76°C

AZEOTROPOS DE PUNTO DE EBULLICION MÁXIMO

En este caso, el líquido C ebulle a72°C y el D a 87°C; El azeótropo  ebulle a95°C y resulta de una asociación molecular en proporción CD

En los casos donde se da un azeótropo homogéneo, la separación no puede hacerse en una sola columna. Un azeótropo existe cuando la composición de la fase líquida es la misma que la de la fase vapor:


Xj = Yj , j = 1,…,NC


Donde Xj , es la composición de la fase líquida, Yj , es la composición de la fase vapor y NC es el número de componentes. Un azeótropo presenta una limitación a la separación que se quiere lograr. Si no hay diferencia de composiciones entre la fase líquida y la fase vapor, las composiciones no pueden cambiar entre plato y plato, de modo que no puede haber separación de ahí en adelante. El azeótropo formado constituye una condición límite de la separación.


Hay varias técnicas para separar azeótropos. Un método es la variación de presiones y se puede usar en los casos donde hay una variación en la composición del azeótropo con la presión.


Considere una columna cuyo alimento es una mezcla binaria de componentes A y B con composición z (fracción molar de A, el componente más volátil). El equilibrio vaporlíquido para este sistema tiene un azeótropo de punto de ebullición mínimo de composición yaz1, la composición del azeótropo a baja presión, y constituye la fracción más volátil. A una presión superior P2, la composición del azeótropo cambia a un valor menor yaz2.


Dos columnas que operen a dos presiones diferentes pueden separar el alimento en dos corrientes: una de A casi puro y otra de B casi puro. Si la composición del alimento es menor que yaz1, el alimento se introduce en la columna de baja presión (BP). El producto del fondo de esta columna de destilación es B casi puro. El destilado tiene una composición bastante cercana a la composición azeotrópica yaz1 y se alimenta a una columna de alta presión. Esta composición del alimento es mayor que la composición azeotrópica yaz2 a la mayor presión, de modo que el producto de fondo de la columna de alta presión es A casi puro. El destilado D2 de la columna de alta presión (AP) tiene una composición que es cercana a la composición azeotrópica yaz2. Esta corriente de destilado se retorna a la columna de baja presión. De este modo la columna de baja presión tiene dos alimentos: el alimento en sí y el destilado D2 de la columna de alta presión con una composición algo mayor que yaz2 pero menor que yaz1. De este modo ambas columnas están interconectadas por las dos corrientes de destilado y tienen que diseñarse y controlarse como unidades interactuantes, de modo que hay que simular el sistema completo

Azeótropo a presión Máxima

Azeótropo a presión Mínima