Una columna de fraccionamiento o columna fraccionaria es un equipo utilizado en la destilación de mezclas líquidas para separar la mezcla en sus partes componentes, o fracciones, en función de sus diferencias de volatilidad . Las columnas de fraccionamiento se utilizan en destilaciones de laboratorio a pequeña escala, así como en destilaciones industriales a gran escala.
Una columna de fraccionamiento de laboratorio es una pieza de vidrio que se utiliza para separar mezclas vaporizadas de compuestos líquidos con baja volatilidad. La más comúnmente utilizada es una columna Vigreux o una columna recta repleta de cuentas de vidrio o piezas metálicas como anillos de Raschig . Las columnas de fraccionamiento ayudan a separar la mezcla permitiendo que los vapores mezclados se enfríen, se condensen y se vaporicen nuevamente de acuerdo con la ley de Raoult . Con cada ciclo de condensación -vaporización, los vapores se enriquecen en un determinado componente. Una mayor superficie permite más ciclos, mejorando la separación. Éste es el fundamento de una columna Vigreux o una columna de fraccionamiento empaquetada. La destilación con banda giratoria logra el mismo resultado al utilizar una banda giratoria dentro de la columna para forzar que los vapores ascendentes y el condensado descendente entren en estrecho contacto, logrando el equilibrio más rápidamente.
En una destilación fraccionada típica, se calienta una mezcla líquida en el matraz de destilación y el vapor resultante sube por la columna de fraccionamiento (ver Figura 1). El vapor se condensa sobre espolones de vidrio (conocidos como platos teóricos o platos teóricos ) dentro de la columna, y regresa al matraz de destilación, haciendo refluir el vapor de destilado ascendente. La bandeja más caliente está en la parte inferior de la columna y la bandeja más fría está en la parte superior. En condiciones de estado estacionario , el vapor y el líquido en cada bandeja alcanzan un equilibrio . Sólo el vapor más volátil permanece en forma de gas hasta la superficie, donde luego puede pasar a través de un condensador , que enfría el vapor hasta que se condensa en un destilado líquido. La separación puede mejorarse añadiendo más bandejas (hasta una limitación práctica de calor, flujo, etc.).
La destilación fraccionada es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química . [1] [2] Las columnas de fraccionamiento se utilizan ampliamente en industrias de procesos químicos donde se deben destilar grandes cantidades de líquidos. [3] [4] [5] Tales industrias son el procesamiento de petróleo , la producción petroquímica , el procesamiento de gas natural , el procesamiento de alquitrán de hulla , la elaboración de cerveza , la separación de aire licuado y la producción de solventes de hidrocarburos . La destilación fraccionada encuentra su aplicación más amplia en las refinerías de petróleo . En dichas refinerías, la materia prima de petróleo crudo es una mezcla compleja de múltiples componentes que debe separarse. Generalmente no se esperan rendimientos de compuestos químicos puros, sin embargo, sí se esperan rendimientos de grupos de compuestos dentro de un rango relativamente pequeño de puntos de ebullición , también llamados fracciones . Este proceso es el origen del nombre de destilación fraccionada o fraccionamiento .
La destilación es uno de los procesos de separación más comunes y que consumen más energía. La eficacia de la separación depende de la altura y el diámetro de la columna, la relación entre la altura y el diámetro de la columna y el material que compone la propia columna de destilación. [6] En una planta química típica, representa aproximadamente el 40% del consumo total de energía. [7] La destilación industrial normalmente se realiza en grandes columnas cilíndricas verticales (como se muestra en la Figura 2) conocidas como "torres de destilación" o "columnas de destilación" con diámetros que varían desde aproximadamente 65 centímetros hasta 6 metros y alturas que varían desde aproximadamente 6 metros hasta 60 metros o más.
Las torres de destilación industriales suelen funcionar en un estado estable continuo. A menos que se vea afectado por cambios en la alimentación, el calor, la temperatura ambiente o la condensación, la cantidad de alimento que se agrega normalmente es igual a la cantidad de producto que se elimina.
La cantidad de calor que ingresa a la columna desde el hervidor y con la alimentación debe ser igual a la cantidad de calor eliminada por el condensador superior y con los productos. El calor que ingresa a una columna de destilación es un parámetro operativo crucial; la adición de calor excesivo o insuficiente a la columna puede provocar formación de espuma, llanto, arrastre o inundación.
La Figura 3 representa una columna de fraccionamiento industrial que separa una corriente de alimentación en una fracción de destilado y una fracción de cola. Sin embargo, muchas columnas de fraccionamiento industriales tienen salidas a intervalos a lo largo de la columna, de modo que se pueden retirar múltiples productos que tienen diferentes intervalos de ebullición de una columna que destila una corriente de alimentación de múltiples componentes. Los productos "más ligeros" con los puntos de ebullición más bajos salen de la parte superior de las columnas y los productos "más pesados" con los puntos de ebullición más altos salen de la parte inferior.
Las columnas de fraccionamiento industrial utilizan reflujo externo para lograr una mejor separación de productos. [3] [5] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido de cabeza condensado que regresa a la parte superior de la columna de fraccionamiento como se muestra en la Figura 3.
Dentro de la columna, el líquido de reflujo que fluye hacia abajo proporciona enfriamiento y condensación de los vapores que fluyen hacia arriba, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo y/o más bandejas se proporcionen, mejor será la separación en la torre de los materiales de punto de ebullición más bajo de los materiales de punto de ebullición más alto.
El diseño y funcionamiento de una columna de fraccionamiento depende de la composición de la alimentación así como de la composición de los productos deseados. Dada una alimentación de componentes binaria simple, se pueden utilizar métodos analíticos como el método de McCabe-Thiele [5] [8] [9] o la ecuación de Fenske [5] . Para una alimentación multicomponente, se utilizan modelos de simulación tanto para el diseño, como para la operación y la construcción.
Las "bandejas" o "placas" con tapa de burbuja son uno de los tipos de dispositivos físicos que se utilizan para proporcionar un buen contacto entre el vapor que fluye ascendente y el líquido que fluye hacia abajo dentro de una columna de fraccionamiento industrial. Estas bandejas se muestran en las Figuras 4 y 5.
La eficiencia de una bandeja o plato suele ser menor que la de una etapa de equilibrio teórica 100% eficiente . Por lo tanto, una columna de fraccionamiento casi siempre necesita más placas físicas reales que el número requerido de etapas teóricas de equilibrio vapor-líquido .
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En usos industriales, a veces se utiliza un material de relleno en la columna en lugar de platos, especialmente cuando se requieren bajas caídas de presión a través de la columna, como cuando se opera bajo vacío . Este material de embalaje puede ser embalaje desechado al azar (de 1 a 3 pulgadas o de 2,5 a 7,6 cm de ancho), como anillos Raschig o láminas de metal estructuradas . Los líquidos tienden a mojar la superficie del empaque y los vapores pasan a través de esta superficie mojada, donde tiene lugar la transferencia de masa . Los empaques de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y espacios vacíos entre los empaques. Ambos factores afectan el rendimiento del embalaje.
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