La destilación continua , una forma de destilación , es una separación continua en la que una mezcla se introduce de forma continua (sin interrupción) en el proceso y las fracciones separadas se eliminan de forma continua como corrientes de salida. La destilación es la separación total o 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 se ha capturado por separado como vapor condensado en líquido, y prácticamente siempre una fracción de cola (o residuo ), que es el residuo menos volátil que no se ha capturado por separado como vapor condensado.
Una alternativa a la destilación continua es la destilación por lotes , donde la mezcla se agrega a la unidad al comienzo de la destilación, las fracciones de destilado se extraen secuencialmente en el tiempo (una después de otra) durante la destilación y la fracción de fondo restante se elimina al final. Debido a que cada una de las fracciones de destilado se extrae en diferentes momentos, solo se necesita un punto de salida de destilado (ubicación) para una destilación por lotes y el destilado simplemente se puede cambiar a un receptor diferente, un contenedor de recolección de fracciones. La destilación por lotes se usa a menudo cuando se destilan cantidades más pequeñas. En una destilación continua, cada una de las corrientes de fracción se toma simultáneamente durante la operación; por lo tanto, se necesita un punto de salida separado para cada fracción. En la práctica, cuando hay múltiples fracciones de destilado, los puntos de salida de destilado se ubican a diferentes alturas en una columna de fraccionamiento . La fracción de fondo se puede tomar de la parte inferior de la columna o unidad de destilación, pero a menudo se toma de un rehervidor conectado a la parte inferior 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 y otras propiedades similares. Aunque es posible realizar una destilación continua a pequeña escala o en un laboratorio, la destilación continua se utiliza con mayor frecuencia en un proceso industrial a gran escala.
La destilación es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química y la ingeniería alimentaria. [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] Dichas 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 disolventes de hidrocarburos , la separación de cannabinoides e industrias similares, pero encuentra su aplicación más amplia en las refinerías de petróleo . En dichas 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, solo 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 vale la pena separar más los componentes en estas fracciones en función de los requisitos del producto y la economía.
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 unos 65 centímetros hasta 11 metros y alturas que van desde unos 6 metros hasta 60 metros o más.
El principio de la destilación continua es el mismo que el de la destilación normal: cuando se calienta una mezcla líquida hasta que hierve, la composición del vapor que se encuentra sobre el líquido difiere de la composición del líquido. Si luego se separa este vapor y se condensa para formar un líquido, se enriquece con los componentes de menor punto de ebullición de la mezcla original.
Esto es lo que ocurre en una columna de destilación continua. Se calienta una mezcla y se envía a la columna de destilación. Al entrar en la columna, la alimentación comienza a fluir hacia abajo, pero parte de ella, el componente o los componentes con puntos de ebullición más bajos, se vaporizan y ascienden. Sin embargo, a medida que ascienden, se enfrían y, aunque una parte continúa subiendo en forma de vapor, otra parte (enriquecida con 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 cola. Los productos "más livianos" (aquellos con el punto de ebullición más bajo o la volatilidad más alta) salen por la parte superior de las columnas y los productos "más pesados" (las colas, aquellos con el punto de ebullición más alto) salen por la parte inferior de la columna. La corriente de cabeza se puede enfriar y condensar utilizando un condensador enfriado por agua o por aire . El recalentador de colas puede ser un intercambiador de calor calentado por vapor o por aceite caliente , o incluso un horno de gas o aceite .
En una destilación continua, el sistema se mantiene en un estado estable o aproximado. El estado estable 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 la alimentación, las tasas de la 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 estable. Este es también el principal atractivo de la destilación continua, aparte de la cantidad mínima de vigilancia (fácilmente instrumentable); si la tasa de alimentación y la composición de la alimentación se mantienen constantes, la tasa y la calidad del producto también son constantes. Incluso cuando ocurre una variación en las condiciones, los métodos de control de procesos modernos suelen poder 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 sola vez como en una destilación por lotes, una unidad de destilación continua no necesita un recipiente, depósito o crisol de destilación de gran tamaño 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. Consulte el 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 el funcionamiento de una columna de destilación dependen 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. Para una alimentación de múltiples componentes, se utilizan modelos de simulación computarizados tanto para el diseño como posteriormente en la operación 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, es necesario supervisarla 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 mediante equipos de control informático avanzados.
La columna se puede alimentar de diferentes maneras. Si la alimentación proviene de una fuente a una presión superior a la presión de la columna de destilación, simplemente se introduce por tubería en la columna. De lo contrario, la alimentación se bombea o se comprime en la columna. La alimentación puede ser un vapor sobrecalentado , un vapor saturado , una mezcla de 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 mayor 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 dará como resultado una mezcla de líquido-vapor a medida que ingresa a la columna de destilación.
Aunque en los laboratorios se pueden utilizar unidades de pequeño tamaño, en su mayoría 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 relleno. Para proporcionar el calor necesario para la vaporización involucrada en la destilación y también para compensar la pérdida de calor, el calor se añade con mayor frecuencia a la parte inferior de la columna mediante un rehervidor , y la pureza del producto superior se puede mejorar reciclando parte del líquido del producto superior condensado externamente 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 industriales a gran escala utilizan el reflujo para lograr una separación más eficiente de los productos. [3] [5] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido condensado de la parte superior de una torre de destilación que se devuelve 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 que fluyen hacia arriba, lo que aumenta la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo se proporciona, mejor es la separación de la torre de los componentes de la alimentación con punto de ebullición más bajo de los de punto de ebullición más alto. Un equilibrio de calentamiento con un rehervidor en la parte inferior de una columna y enfriamiento por reflujo condensado en la parte superior de la columna mantiene un gradiente de temperatura (o diferencia de temperatura gradual) 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 medio de la torre se denominan "bombeos".
El cambio del 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 (a diferencia de agregar placas o bandejas, o cambiar el empaque, lo que, como mínimo, requeriría 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 necesaria de etapas de equilibrio . Estos dispositivos se conocen comúnmente como "placas" o "bandejas". [8] Cada una de estas placas o bandejas está a una temperatura y presión diferentes. La etapa en la parte inferior de la torre tiene la presión y temperatura más altas. A medida que avanza hacia arriba 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 forma 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 líquido en cada una de las etapas, y esto da como resultado la separación de los componentes. Algunos ejemplos de bandejas se muestran en la imagen 5. Se puede ver una imagen más detallada y ampliada de dos bandejas en el artículo de la placa teórica . El rehervidor a menudo actúa como una etapa de equilibrio adicional.
Si cada plato o bandeja física fuera 100% eficiente, entonces la cantidad de platos físicos necesarios para una separación dada sería igual a la cantidad de etapas de equilibrio o platos teóricos. Sin embargo, esto sucede muy raramente. Por lo tanto, una columna de destilación necesita más platos que la cantidad requerida 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 lo largo de la columna (en comparación con los platos o bandejas), lo que resulta beneficioso cuando se opera al vacío. Si una torre de destilación utiliza relleno en lugar de platos, primero se determina el número de etapas de equilibrio teórico necesarias y luego también se determina la altura de relleno equivalente a una etapa de equilibrio teórico , conocida como altura equivalente a un plato teórico (HETP). La altura de relleno total requerida es el número de etapas teóricas multiplicado por la HETP.
Este material de relleno puede ser un relleno vertido al azar, como anillos Raschig o chapa metálica estructurada . Los líquidos tienden a humedecer la superficie del relleno y los vapores pasan a través de esta superficie humedecida, donde tiene lugar la transferencia de masa . A diferencia de la destilación convencional de platos en la que cada plato representa un punto separado de equilibrio vapor-líquido, la curva de equilibrio vapor-líquido en una columna de relleno es continua. Sin embargo, al modelar columnas de relleno es útil calcular un número de platos teóricos para indicar la eficiencia de separación de la columna de relleno con respecto a los platos más tradicionales. Los rellenos de formas diferentes tienen diferentes áreas de superficie y espacio vacío entre los rellenos. Ambos factores afectan el rendimiento del relleno.
Otro factor además de la forma y el área de superficie del empaque que afecta el desempeño del empaque aleatorio o estructurado es la distribución del líquido y del vapor que ingresa al lecho empacado. El número de etapas teóricas requeridas para lograr una separación dada se calcula utilizando una relación específica de vapor a líquido. Si el líquido y el vapor no se distribuyen uniformemente a través del área superficial de la torre a medida que ingresan al lecho empacado, la relación de líquido a vapor no será correcta en el lecho empacado y no se logrará la separación requerida. El empaque parecerá no estar funcionando correctamente. La altura equivalente a un plato teórico (HETP) será mayor que la esperada. 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 más frecuente que el vapor. El diseño de los distribuidores de líquido utilizados para introducir la alimentación y el reflujo a un lecho empacado es fundamental para que el empaque funcione con la máxima eficiencia. Se pueden encontrar métodos para evaluar la efectividad de un distribuidor de líquido en las referencias. [9] [10]
Las imágenes 4 y 5 suponen una corriente de cabeza que se condensa totalmente en un producto líquido mediante enfriamiento por agua o aire. Sin embargo, en muchos casos, la cabeza de la torre no se condensa fácilmente por completo 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 (que 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 de destilado líquido condensado, una fase de agua condensada y una fase de gas 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 multicomponentes para purificar sus componentes individuales por medio de una serie de columnas de destilación, es decir, el tren de destilación.
Un tren de destilación se define 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 es termodinámicamente equivalente la disposición en una sola columna de la configuración de Petlyuk [11] . [12]
Los crudos de petróleo contienen cientos de compuestos hidrocarbonados 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 crudos generalmente no contienen olefinas , estas 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, sino que produce fracciones que tienen rangos de ebullición. [13] [14] Por ejemplo, el fraccionador de petróleo crudo produce una fracción de cabeza llamada " nafta " que se convierte en un componente de gasolina después de ser procesada aún más a través de un hidrodesulfurador catalítico para eliminar el azufre y un reformador catalítico para reformar sus moléculas de hidrocarburos en moléculas más complejas con un valor de octano más alto .
El corte de nafta, como se denomina a esa fracción, contiene muchos compuestos de hidrocarburos diferentes. Por lo tanto, tiene un punto de ebullición inicial de aproximadamente 35 °C y un punto de ebullición final de aproximadamente 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 rango de ebullición de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 315 °C. Los rangos de ebullición entre cualquier corte y el siguiente corte 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 cola, con rangos de ebullición muy amplios. Todos estos cortes se procesan más a fondo en procesos de refinación posteriores.
Una aplicación típica para la destilación de concentrados de cannabis es el aceite de hachís al butano (BHO). La destilación de trayectoria corta 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 se deben aplicar.
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