La destilación fraccionada es la separación de una mezcla en sus partes componentes o fracciones . Los compuestos químicos se separan calentándolos a una temperatura a la que se vaporizarán una o más fracciones de la mezcla . Utiliza la destilación para fraccionar . Generalmente los componentes tienen puntos de ebullición que difieren en menos de 25 °C (45 °F) entre sí bajo una presión de una atmósfera . Si la diferencia en los puntos de ebullición es superior a 25 °C, normalmente se utiliza una destilación simple .
Una unidad de destilación de petróleo crudo utiliza destilación fraccionada en el proceso de refinación del petróleo crudo.
La destilación fraccionada de sustancias orgánicas jugó un papel importante en las obras del siglo IX atribuidas al alquimista islámico Jabir ibn Hayyan , como por ejemplo en el Kitāb al-Sabʿīn ('El Libro de los Setenta'), traducido al latín por Gerardo de Cremona. (c. 1114-1187) bajo el título Liber de septuaginta . [1] Los experimentos jabirianos con la destilación fraccionada de sustancias animales y vegetales, y en menor grado también de sustancias minerales, formaron el tema principal del De anima in arte alkimiae , obra originalmente árabe atribuida falsamente a Avicena y que fue traducida al latín. y pasaría a formar la fuente alquímica más importante para Roger Bacon ( c. 1220-1292 ). [2]
La destilación fraccionada en un laboratorio utiliza material de vidrio y aparatos de laboratorio comunes, que generalmente incluyen un mechero Bunsen , un matraz de fondo redondo y un condensador , así como la columna de fraccionamiento de propósito único .
Como ejemplo, consideremos la destilación de una mezcla de agua y etanol . El etanol hierve a 78,4 °C (173,1 °F) mientras que el agua hierve a 100 °C (212 °F). Así, al calentar la mezcla, el componente más volátil (etanol) se concentrará en mayor medida en el vapor que sale del líquido. Algunas mezclas forman azeótropos , donde la mezcla hierve a una temperatura más baja que cualquiera de los componentes. En este ejemplo, una mezcla de 96 % de etanol y 4 % de agua hierve a 78,2 °C (172,8 °F); la mezcla es más volátil que el etanol puro. Por esta razón, el etanol no puede purificarse completamente mediante destilación fraccionada directa de mezclas de etanol y agua.
El aparato se monta como en el diagrama. (El diagrama representa un aparato discontinuo en lugar de un aparato continuo). La mezcla se coloca en el matraz de fondo redondo junto con algunos gránulos antigolpes (o una barra agitadora magnética recubierta de teflón si se usa agitación magnética ) y el fraccionamiento La columna se encaja en la parte superior. La columna de destilación fraccionada se instala con la fuente de calor en el fondo del alambique. A medida que aumenta la distancia desde el destilador, se forma un gradiente de temperatura en la columna; hace más frío arriba y más calor abajo. A medida que el vapor mezclado asciende por el gradiente de temperatura, parte del vapor se condensa y se vaporiza a lo largo del gradiente de temperatura . Cada vez que el vapor se condensa y se vaporiza, aumenta la composición del componente más volátil del vapor. Esto destila el vapor a lo largo de la columna y, finalmente, el vapor se compone únicamente del componente más volátil (o un azeótropo). El vapor se condensa en las plataformas de vidrio, conocidas como bandejas , dentro de la columna, y regresa al líquido que se encuentra debajo, haciendo refluir el destilado. La eficiencia en términos de cantidad de calentamiento y tiempo requerido para lograr el fraccionamiento se puede mejorar aislando el exterior de la columna con un aislante como lana, papel de aluminio o, preferiblemente, una camisa de vacío. La bandeja más caliente está en la parte inferior y la más fría en la parte superior. En condiciones de estado estacionario, el vapor y el líquido en cada bandeja están en equilibrio . El componente más volátil de la mezcla sale como gas en la parte superior de la columna. El vapor en la parte superior de la columna pasa luego al condensador, que lo enfría hasta que se licua. La separación es más pura con la adición de más bandejas (para una limitación práctica de calor, flujo, etc.). Inicialmente, el condensado estará cerca de la composición azeotrópica, pero cuando se ha eliminado gran parte del etanol, el condensado se vuelve más puro. progresivamente más rico en agua. [ cita necesaria ] El proceso continúa hasta que todo el etanol sale de la mezcla. Este punto se puede reconocer por el fuerte aumento de temperatura que muestra el termómetro .
La explicación anterior refleja la forma teórica en que funciona el fraccionamiento. Las columnas de fraccionamiento de laboratorio normales serán tubos de vidrio simples (a menudo con camisa de vacío y, a veces, internamente plateados ) llenos de un empaque, a menudo pequeñas hélices de vidrio de 4 a 7 milímetros (0,16 a 0,28 pulgadas) de diámetro. Una columna de este tipo puede calibrarse mediante la destilación de un sistema de mezcla conocido para cuantificar la columna en términos de número de platos teóricos. Para mejorar el fraccionamiento, el aparato está configurado para devolver el condensado a la columna mediante el uso de algún tipo de divisor de reflujo (alambre de reflujo, gago, cubeta oscilante magnética, etc.); un fraccionamiento cuidadoso típico emplearía una relación de reflujo de alrededor de 4: 1 (4 partes de condensado devuelto por 1 parte de condensado de salida).
En la destilación de laboratorio, se encuentran comúnmente varios tipos de condensadores. El condensador Liebig es simplemente un tubo recto dentro de una camisa de agua y es la forma de condensador más simple (y relativamente menos costosa). El condensador Graham es un tubo en espiral dentro de una camisa de agua, y el condensador Allihn tiene una serie de constricciones grandes y pequeñas en el tubo interior, cada una de las cuales aumenta el área de superficie sobre la cual se pueden condensar los componentes del vapor.
Las configuraciones alternativas pueden utilizar un matraz receptor de destilación de múltiples salidas (denominado "vaca" o "cerdo") para conectar tres o cuatro matraces receptores al condensador. Girando la vaca o el cerdo, los destilados se pueden canalizar hacia cualquier receptor elegido. Debido a que no es necesario retirar y reemplazar el receptor durante el proceso de destilación, este tipo de aparato es útil cuando se destila bajo una atmósfera inerte para productos químicos sensibles al aire o a presión reducida. Un triángulo de Perkin es un aparato alternativo que se utiliza a menudo en estas situaciones porque permite aislar el receptor del resto del sistema, pero requiere quitar y volver a colocar un solo receptor para cada fracción.
Los sistemas de destilación al vacío funcionan a presión reducida, lo que reduce los puntos de ebullición de los materiales. Sin embargo, los gránulos antigolpes se vuelven ineficaces a presiones reducidas.
La destilación fraccionada es la forma más común de tecnología de separación utilizada en refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y químicas , procesamiento de gas natural y plantas criogénicas de separación de aire . [3] [4] En la mayoría de los casos, la destilación se realiza en un estado estacionario continuo . Siempre se agrega nueva alimentación a la columna de destilación y siempre se eliminan productos. A menos que el proceso se vea alterado debido a cambios en la alimentación, el calor, la temperatura ambiente o la condensación, la cantidad de alimentación que se agrega y la cantidad de producto que se elimina son normalmente iguales. Esto se conoce como destilación fraccionada continua en estado estacionario.
La destilación industrial normalmente se realiza en grandes columnas cilíndricas verticales conocidas como "torres de destilación o fraccionamiento" o "columnas de destilación" con diámetros que varían de aproximadamente 0,65 a 6 metros (2 a 20 pies) y alturas que varían de aproximadamente 6 a 60 metros (20 pies). a 197 pies) o más. Las torres de destilación tienen salidas de líquido a intervalos a lo largo de la columna que permiten la extracción de diferentes fracciones o productos que tienen diferentes puntos o rangos de ebullición. Al aumentar la temperatura del producto en el interior de las columnas, se separan los diferentes productos. Los productos "más ligeros" (los que tienen el punto de ebullición más bajo) salen por la parte superior de las columnas y los productos "más pesados" (los que tienen el punto de ebullición más alto) salen por la parte inferior de la columna.
Por ejemplo, la destilación fraccionada se utiliza en las refinerías de petróleo para separar el petróleo crudo en sustancias (o fracciones) útiles que tienen diferentes hidrocarburos con diferentes puntos de ebullición. Las fracciones del petróleo crudo con puntos de ebullición más altos:
Las torres industriales de gran tamaño utilizan el reflujo para conseguir una separación más completa de los productos. [5] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido de cabeza condensado de una torre de destilación o fraccionamiento que regresa a la parte superior de la torre, como se muestra en el diagrama esquemático de una torre de destilación industrial típica a gran escala . Dentro de la torre, el líquido de reflujo que fluye hacia abajo proporciona el enfriamiento necesario para condensar los vapores que fluyen hacia arriba, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo se proporcione para un número determinado de placas teóricas , mejor será la separación de la torre de los materiales de punto de ebullición más bajo de los materiales de punto de ebullición más alto. Alternativamente, cuanto más reflujo se proporcione para una separación deseada dada, menos placas teóricas se requerirán.
La destilación fraccionada también se utiliza en la separación del aire, produciendo oxígeno líquido , nitrógeno líquido y argón altamente concentrado . La destilación de clorosilanos también permite la producción de silicio de alta pureza para su uso como semiconductor .
En usos industriales, a veces se utiliza un material de relleno en la columna en lugar de platos, especialmente cuando se requieren caídas de presión bajas a través de la columna, como cuando se opera bajo vacío. Este material de empaque puede ser empaque vertido al azar (de 1 a 3 pulgadas (25 a 76 mm) de ancho), como anillos Raschig o láminas de metal estructuradas . Los fabricantes típicos son Koch, Sulzer y otras empresas. 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 líquido-vapor, la curva de equilibrio líquido-vapor en una columna empaquetada es continua. Sin embargo, al modelar columnas empacadas es útil calcular varias "placas teóricas" para indicar la eficiencia de separación de la columna empacada con respecto a los platos más tradicionales. Las empaquetaduras de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y porosidad . Ambos factores afectan el rendimiento del embalaje.
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 de McCabe-Thiele [4] [6] [7] o la ecuación de Fenske [4] . Para una alimentación multicomponente, se utilizan modelos de simulación tanto para el diseño como para la operación.
Además, las eficiencias de los dispositivos de contacto vapor-líquido (denominados platos o bandejas ) utilizados en las columnas de destilación suelen ser inferiores a las de una etapa de equilibrio teórica 100% eficiente . Por lo tanto, una columna de destilación necesita más platos que el número teórico de etapas de equilibrio líquido-vapor.
El reflujo se refiere a la porción del producto de cabeza condensado que regresa a la torre. El reflujo que fluye hacia abajo proporciona el enfriamiento necesario para condensar los vapores que fluyen hacia arriba. La relación de reflujo, que es la relación entre el reflujo (interno) y el producto de cabeza, está relacionada inversamente con el número teórico de etapas necesarias para una separación eficaz de los productos de destilación. Las torres o columnas de destilación fraccionada están diseñadas para lograr la separación requerida de manera eficiente. El diseño de columnas de fraccionamiento normalmente se realiza en dos pasos; un diseño de proceso, seguido de un diseño mecánico. El propósito del diseño del proceso es calcular el número de etapas teóricas requeridas y los flujos de corriente, incluida la relación de reflujo, el reflujo de calor y otras tareas de calor. El propósito del diseño mecánico, por otro lado, es seleccionar las partes internas de la torre, el diámetro de la columna y la altura. En la mayoría de los casos, el diseño mecánico de las torres de fraccionamiento no es sencillo. Para la selección eficiente de los componentes internos de la torre y el cálculo preciso de la altura y el diámetro de la columna, se deben tener en cuenta muchos factores. Algunos de los factores involucrados en los cálculos de diseño incluyen el tamaño y las propiedades de la carga de alimentación y el tipo de columna de destilación utilizada.
Los dos tipos principales de columnas de destilación utilizadas son las columnas de platos y de empaque. Las columnas de empaque se utilizan normalmente para torres más pequeñas y cargas corrosivas o sensibles a la temperatura o para servicios de vacío donde la caída de presión es importante. Las columnas de bandeja, por otro lado, se utilizan para columnas más grandes con altas cargas de líquido. Aparecieron por primera vez en escena en la década de 1820. En la mayoría de las operaciones de refinería de petróleo, las columnas de platos se utilizan principalmente para la separación de fracciones de petróleo en diferentes etapas del refinado del petróleo.
En la industria de refinación de petróleo, el diseño y operación de torres de fraccionamiento todavía se realiza en gran medida sobre una base empírica. Los cálculos involucrados en el diseño de columnas de fraccionamiento de petróleo requieren en la práctica habitual el uso de gráficos, tablas y ecuaciones empíricas complejas numerables. Sin embargo, en los últimos años se ha trabajado mucho para desarrollar procedimientos de diseño asistidos por computadora eficientes y confiables para la destilación fraccionada. [8]