La destilación continua , una forma de destilación , es una separación continua en la que una mezcla se alimenta continuamente (sin interrupción) al proceso y las fracciones separadas se eliminan continuamente como corrientes de salida. La destilación es la separación o separación parcial de una mezcla de alimentación líquida en componentes o fracciones mediante ebullición selectiva (o evaporación ) y condensación . El proceso produce al menos dos fracciones de salida. Estas fracciones incluyen al menos una fracción de destilado volátil , que ha hervido y ha sido capturada por separado como vapor condensado en líquido, y prácticamente siempre una fracción de fondos (o residuo ), que es el residuo menos volátil que no ha sido capturado por separado como un vapor condensado.
Una alternativa a la destilación continua es la destilación discontinua , en la que la mezcla se añade a la unidad al inicio de la destilación, las fracciones de destilado se extraen secuencialmente en el tiempo (una tras otra) durante la destilación y la fracción de cola restante se elimina en el fin. Debido a que cada una de las fracciones de destilado se extrae en momentos diferentes, solo se necesita un punto (ubicación) de salida de destilado para una destilación por lotes y el destilado puede simplemente cambiarse a un receptor diferente, un contenedor de recolección de fracciones. La destilación discontinua se utiliza a menudo cuando se destilan cantidades más pequeñas. En una destilación continua, cada una de las corrientes de fracción se toma simultáneamente durante toda la operación; por lo tanto, se necesita un punto de salida independiente para cada fracción. En la práctica, cuando hay múltiples fracciones de destilado, los puntos de salida del destilado están ubicados a diferentes alturas en una columna de fraccionamiento . La fracción de fondo se puede tomar del fondo de la columna o unidad de destilación, pero a menudo se toma de un hervidor conectado al fondo de la columna.
Cada fracción puede contener uno o más componentes (tipos de compuestos químicos ). Al destilar petróleo crudo o una materia prima similar, cada fracción contiene muchos componentes de volatilidad similar y otras propiedades. Aunque es posible realizar una destilación continua a pequeña escala o en laboratorio, la mayoría de las veces la destilación continua se utiliza en un proceso industrial a gran escala.
La destilación es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química . [1] [2] La destilación continua se utiliza ampliamente en las industrias de procesos químicos donde se deben destilar grandes cantidades de líquidos. [3] [4] [5] Tales industrias son el procesamiento de gas natural , la producción petroquímica , el procesamiento de alquitrán de hulla , la producción de licores , la separación de aire licuado , la producción de solventes de hidrocarburos , la separación de cannabinoides e industrias similares, pero encuentra su aplicación más amplia en las refinerías de petróleo . . En tales refinerías, la materia prima de petróleo crudo es una mezcla multicomponente muy compleja que debe separarse y no se esperan rendimientos de compuestos químicos puros, sólo grupos de compuestos dentro de un rango relativamente pequeño de puntos de ebullición , que se denominan fracciones . Estas fracciones son el origen del término destilación fraccionada o fraccionamiento . A menudo no merece la pena seguir separando los componentes de estas fracciones basándose en los requisitos económicos y los requisitos del producto.
La destilación industrial normalmente se realiza en grandes columnas cilíndricas verticales (como se muestra en las imágenes 1 y 2) conocidas como "torres de destilación" o "columnas de destilación" con diámetros que van desde aproximadamente 65 centímetros hasta 11 metros y alturas que van desde aproximadamente 6 metros hasta 60. metros o más.
El principio de la destilación continua es el mismo que el de la destilación normal: cuando una mezcla líquida se calienta hasta que hierva, la composición del vapor sobre el líquido difiere de la composición del líquido. Si este vapor luego se separa y se condensa en un líquido, se vuelve más rico en los componentes de menor punto de ebullición de la mezcla original.
Esto es lo que sucede en una columna de destilación continua. Se calienta una mezcla y se conduce a la columna de destilación. Al entrar en la columna, la alimentación comienza a fluir hacia abajo, pero parte de ella, los componentes con puntos de ebullición más bajos, se vaporizan y ascienden. Sin embargo, a medida que asciende, se enfría y mientras una parte continúa ascendiendo como vapor, otra parte (enriquecida en el componente menos volátil ) comienza a descender nuevamente.
La imagen 3 muestra una torre de destilación fraccionada continua simple para separar una corriente de alimentación en dos fracciones, un producto destilado de cabeza y un producto de fondo. Los productos "más ligeros" (los que tienen el punto de ebullición más bajo o la volatilidad más alta) salen por la parte superior de las columnas y los productos "más pesados" (los fondos, los que tienen el punto de ebullición más alto) salen por el fondo de la columna. La corriente superior se puede enfriar y condensar usando un condensador enfriado por agua o por aire . El hervidor de fondos puede ser un intercambiador de calor calentado por vapor o por aceite caliente , o incluso un horno alimentado por gas o aceite .
En una destilación continua, el sistema se mantiene en un estado estacionario o en un estado estacionario aproximado. El estado estacionario significa que las cantidades relacionadas con el proceso no cambian a medida que pasa el tiempo durante la operación. Dichas cantidades constantes incluyen la tasa de entrada de alimentación, las tasas de corriente de salida, las tasas de calentamiento y enfriamiento, la relación de reflujo y las temperaturas , presiones y composiciones en cada punto (ubicación). A menos que el proceso se altere debido a cambios en la alimentación, el calentamiento, la temperatura ambiente o la condensación, normalmente se mantiene el estado estacionario. Este es también el principal atractivo de la destilación continua, además de la cantidad mínima de vigilancia (fácilmente instrumentable); Si la tasa de alimentación y la composición del alimento se mantienen constantes, la tasa y la calidad del producto también son constantes. Incluso cuando se produce una variación en las condiciones, los métodos modernos de control de procesos suelen ser capaces de devolver gradualmente el proceso continuo a otro estado estable.
Dado que una unidad de destilación continua se alimenta constantemente con una mezcla de alimentación y no se llena de una vez como una destilación por lotes, una unidad de destilación continua no necesita un recipiente, recipiente o depósito de destilación de tamaño considerable para un llenado por lotes. En cambio, la mezcla se puede alimentar directamente a la columna, donde se produce la separación real. La altura del punto de alimentación a lo largo de la columna puede variar según la situación y está diseñada para proporcionar resultados óptimos. Véase método McCabe-Thiele .
Una destilación continua es a menudo una destilación fraccionada y puede ser una destilación al vacío o una destilación al vapor .
El diseño y funcionamiento de una columna de destilación depende de la alimentación y de los productos deseados. Dada una alimentación de componentes binaria simple, se pueden utilizar métodos analíticos como el método McCabe-Thiele [5] [6] [7] o la ecuación de Fenske [5] para ayudar en el diseño. En el caso de una alimentación de varios componentes, se utilizan modelos de simulación informatizados tanto para el diseño como posteriormente también para el funcionamiento de la columna. El modelado también se utiliza para optimizar columnas ya construidas para la destilación de mezclas distintas a aquellas para las que se diseñó originalmente el equipo de destilación.
Cuando una columna de destilación continua está en funcionamiento, debe ser monitoreada de cerca para detectar cambios en la composición de la alimentación, la temperatura de funcionamiento y la composición del producto. Muchas de estas tareas se realizan utilizando equipos avanzados de control informático.
La columna se puede alimentar de diferentes formas. Si la alimentación proviene de una fuente a una presión superior a la presión de la columna de destilación, simplemente se canaliza hacia la columna. De lo contrario, la alimentación se bombea o comprime hacia la columna. La alimentación puede ser un vapor sobrecalentado , un vapor saturado , una mezcla líquido-vapor parcialmente vaporizada, un líquido saturado (es decir, líquido en su punto de ebullición a la presión de la columna) o un líquido subenfriado . Si la alimentación es un líquido a una presión mucho más alta que la presión de la columna y fluye a través de una válvula de reducción de presión justo delante de la columna, se expandirá inmediatamente y sufrirá una vaporización instantánea parcial que resultará en una mezcla de líquido y vapor cuando ingresa. la columna de destilación.
Aunque en los laboratorios se pueden utilizar unidades de tamaño pequeño, en su mayoría hechas de vidrio, las unidades industriales son grandes recipientes verticales de acero (ver imágenes 1 y 2) conocidos como "torres de destilación" o "columnas de destilación". Para mejorar la separación, la torre normalmente está provista en su interior de placas o bandejas horizontales como se muestra en la imagen 5, o la columna se rellena con un material de embalaje. Para proporcionar el calor necesario para la vaporización involucrada en la destilación y también para compensar la pérdida de calor, lo más frecuente es que se agregue calor al fondo de la columna mediante un hervidor , y la pureza del producto superior se puede mejorar reciclando parte del calor externo. Líquido del producto superior condensado como reflujo. Dependiendo de su propósito, las columnas de destilación pueden tener salidas de líquido a intervalos a lo largo de la columna, como se muestra en la imagen 4.
Las torres de fraccionamiento industrial a gran escala utilizan el reflujo para lograr una separación de productos más eficiente. [3] [5] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido de cabeza condensado de una torre de destilación que regresa a la parte superior de la torre como se muestra en las imágenes 3 y 4. Dentro de la torre, el líquido de reflujo que fluye hacia abajo proporciona enfriamiento y Condensación parcial de los vapores ascendentes, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo se proporcione, mejor será la separación en la torre de los componentes de la alimentación con punto de ebullición más bajo y más alto. Un equilibrio de calentamiento con un hervidor en el fondo de una columna y enfriamiento por reflujo condensado en la parte superior de la columna mantiene un gradiente de temperatura (o diferencia gradual de temperatura) a lo largo de la altura de la columna para proporcionar buenas condiciones para fraccionar la mezcla de alimentación. Los flujos de reflujo en el centro de la torre se denominan bombeos.
Cambiar el reflujo (en combinación con cambios en la alimentación y la extracción de producto) también se puede utilizar para mejorar las propiedades de separación de una columna de destilación continua mientras está en funcionamiento (en contraste con agregar placas o bandejas, o cambiar el empaquetamiento, lo que, en un mínimo, requieren un tiempo de inactividad bastante significativo).
Las torres de destilación (como las de las imágenes 3 y 4) utilizan varios métodos de contacto de vapor y líquido para proporcionar la cantidad requerida de etapas de equilibrio . Estos dispositivos se conocen comúnmente como "placas" o "bandejas". [8] Cada una de estas placas o bandejas se encuentra a una temperatura y presión diferente. El escenario en la parte inferior de la torre tiene la presión y temperatura más altas. A medida que se asciende en la torre, la presión y la temperatura disminuyen en cada etapa sucesiva. El equilibrio vapor-líquido para cada componente de alimentación en la torre reacciona de manera única a las diferentes condiciones de presión y temperatura en cada una de las etapas. Eso significa que cada componente establece una concentración diferente en las fases de vapor y líquida en cada una de las etapas, y esto da como resultado la separación de los componentes. En la imagen 5 se muestran algunos ejemplos de bandejas. En el artículo de la placa teórica se puede ver una imagen ampliada más detallada de dos bandejas . El hervidor actúa a menudo como una etapa de equilibrio adicional.
Si cada bandeja o plato físico fuera 100% eficiente, entonces el número de platos físicos necesarios para una separación determinada sería igual al número de etapas de equilibrio o platos teóricos. Sin embargo, ese es muy raramente el caso. Por lo tanto, una columna de destilación necesita más platos que el número requerido de etapas teóricas de equilibrio vapor-líquido.
Otra forma de mejorar la separación en una columna de destilación es utilizar un material de relleno en lugar de platos. Estos ofrecen la ventaja de una menor caída de presión a través de la columna (en comparación con placas o platos), lo que resulta beneficioso cuando se opera bajo vacío. Si una torre de destilación utiliza empaquetamiento en lugar de platos, primero se determina el número de etapas de equilibrio teórico necesarias y luego también se determina la altura de empaque equivalente a una etapa de equilibrio teórico , conocida como altura equivalente a un plato teórico (HETP). La altura total de empaque requerida es el número de etapas teóricas multiplicado por el HETP.
Este material de embalaje puede ser embalaje desechado aleatoriamente, como anillos Raschig o chapa estructurada . 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 . A diferencia de la destilación en bandeja convencional, en la que cada bandeja representa un punto separado de equilibrio vapor-líquido, la curva de equilibrio vapor-líquido en una columna empaquetada es continua. Sin embargo, al modelar columnas empacadas es útil calcular una cantidad de platos teóricos para indicar la eficiencia de separación de la columna empacada con respecto a los platos más tradicionales. Los empaques de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y espacios vacíos entre los empaques. Ambos factores afectan el rendimiento del embalaje.
Otro factor además de la forma del empaque y el área de superficie que afecta el desempeño del empaque estructurado o aleatorio es la distribución de líquido y vapor que ingresa al lecho empacado. El número de etapas teóricas necesarias para realizar una separación determinada se calcula utilizando una proporción específica de vapor a líquido. Si el líquido y el vapor no se distribuyen uniformemente a lo largo del área superficial de la torre cuando ingresa al lecho empacado, la relación líquido a vapor no será correcta en el lecho empacado y no se logrará la separación requerida. Parecerá que el embalaje no funciona correctamente. La altura equivalente a una placa teórica (HETP) será mayor de lo esperado. El problema no es el empaque en sí sino la mala distribución de los fluidos que ingresan al lecho empacado. La mala distribución del líquido es el problema con más frecuencia que el vapor. El diseño de los distribuidores de líquido utilizados para introducir la alimentación y el reflujo en un lecho empacado es fundamental para que el empaque funcione con la máxima eficiencia. Los métodos para evaluar la eficacia de un distribuidor de líquido se pueden encontrar en las referencias. [9] [10]
Las imágenes 4 y 5 suponen una corriente aérea que está totalmente condensada en un producto líquido mediante agua o refrigeración por aire. Sin embargo, en muchos casos, la parte superior de la torre no se condensa totalmente fácilmente y el tambor de reflujo debe incluir una corriente de salida de gas de ventilación . En otros casos, la corriente de cabeza también puede contener vapor de agua porque la corriente de alimentación contiene algo de agua o se inyecta algo de vapor en la torre de destilación (como es el caso de las torres de destilación de petróleo crudo en las refinerías de petróleo ). En esos casos, si el producto destilado es insoluble en agua, el tambor de reflujo puede contener una fase destilada líquida condensada, una fase acuosa condensada y una fase gaseosa no condensable, lo que hace necesario que el tambor de reflujo también tenga una corriente de salida de agua. .
Además de la destilación fraccionada, que se utiliza principalmente para el refinado de petróleo crudo, normalmente se procesan mezclas de varios componentes para purificar sus componentes individuales mediante una serie de columnas de destilación, es decir, el tren de destilación.
Un tren de destilación está definido por una secuencia de columnas de destilación dispuestas en serie o en paralelo cuyo objetivo es la purificación de mezclas multicomponentes.
La unidad de columna de pared divisoria es la unidad intensificadora de procesos más común relacionada con la destilación. En particular, se ha demostrado que la disposición en una sola columna de la configuración Petlyuk [11] es termodinámicamente equivalente. [12]
Los petróleos crudos contienen cientos de compuestos de hidrocarburos diferentes : parafinas , naftenos y aromáticos, así como compuestos orgánicos de azufre , compuestos orgánicos de nitrógeno y algunos hidrocarburos que contienen oxígeno , como los fenoles . Aunque los petróleos crudos generalmente no contienen olefinas , éstas se forman en muchos de los procesos utilizados en una refinería de petróleo. [13]
El fraccionador de petróleo crudo no produce productos que tengan un único punto de ebullición; más bien, produce fracciones que tienen intervalos de ebullición. [13] [14] Por ejemplo, el fraccionador de petróleo crudo produce una fracción superior llamada " nafta " que se convierte en un componente de la gasolina después de ser procesada adicionalmente a través de un hidrodesulfurizador catalítico para eliminar el azufre y un reformador catalítico para reformar sus moléculas de hidrocarburos en moléculas más complejas. Moléculas con un valor de octanaje más alto .
La nafta cortada, como se llama esa fracción, contiene muchos compuestos de hidrocarburos diferentes. Por lo tanto, tiene un punto de ebullición inicial de unos 35 °C y un punto de ebullición final de unos 200 °C. Cada corte producido en las columnas de fraccionamiento tiene un rango de ebullición diferente. A cierta distancia por debajo de la cabeza, el siguiente corte se retira del costado de la columna y generalmente es el corte de combustible para aviones, también conocido como corte de queroseno . El rango de ebullición de ese corte va desde un punto de ebullición inicial de aproximadamente 150 °C hasta un punto de ebullición final de aproximadamente 270 °C, y también contiene muchos hidrocarburos diferentes. El siguiente corte más abajo en la torre es el corte de gasóleo con un intervalo de ebullición de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 315 °C. Los rangos de ebullición entre cualquier corte y el siguiente se superponen porque las separaciones de destilación no son perfectamente nítidas. Después de estos vienen los cortes de fueloil pesado y finalmente el producto de fondos, con rangos de ebullición muy amplios. Todos estos cortes se procesan posteriormente en procesos de refinación posteriores.
Una aplicación típica para la destilación de concentrados de cannabis es el aceite de hachís con butano (BHO). La destilación de recorrido corto es un método popular debido al corto tiempo de residencia que permite un estrés térmico mínimo para el concentrado. En otros métodos de destilación , como la circulación, la película descendente y la destilación en columna, el concentrado se dañaría debido a los largos tiempos de residencia y las altas temperaturas que deben aplicarse.
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