Una columna de fraccionamiento o columna fraccionaria es un equipo que se utiliza en la destilación de mezclas líquidas para separar la mezcla en sus 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 volatilidad cercana. La más comúnmente utilizada es una columna Vigreux o una columna recta llena de perlas de vidrio o piezas de metal como anillos de Raschig . Las columnas de fraccionamiento ayudan a separar la mezcla al permitir 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 superficie más grande permite más ciclos, lo que mejora la separación. Esta es la razón fundamental para una columna Vigreux o una columna de fraccionamiento llena. La destilación con banda giratoria logra el mismo resultado al usar una banda giratoria dentro de la columna para forzar a los vapores ascendentes y al condensado descendente a un contacto cercano, 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 en espolones de vidrio (conocidos como platos teóricos o platos teóricos ) dentro de la columna y regresa al matraz de destilación, refluyendo el vapor de destilado ascendente. El plato más caliente está en la parte inferior de la columna y el más frío en la parte superior. En condiciones de estado estable , el vapor y el líquido en cada plato alcanzan un equilibrio . Solo el más volátil de los vapores permanece en forma de gas hasta la parte superior, donde luego puede pasar a través de un condensador , que enfría el vapor hasta que se condensa en un destilado líquido. La separación se puede mejorar mediante la adición de más platos (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 las industrias de procesos químicos donde se deben destilar grandes cantidades de líquidos. [3] [4] [5] Dichas 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 disolventes de hidrocarburos . La destilación fraccionada encuentra su aplicación más amplia en las refinerías de petróleo . En tales 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, 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 consume 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 se realiza normalmente en grandes columnas cilíndricas verticales (como se muestra en la Figura 2) conocidas como "torres de destilación" o "columnas de destilación" con diámetros que van desde unos 65 centímetros hasta 6 metros y alturas que van desde unos 6 metros hasta 60 metros o más.
Las torres de destilación industriales suelen funcionar en un estado estable y continuo. A menos que se alteren por cambios en la alimentación, el calor, la temperatura ambiente o la condensación, la cantidad de alimentación que se añade normalmente es igual a la cantidad de producto que se extrae.
La cantidad de calor que entra en la columna desde el recalentador y con la alimentación debe ser igual a la cantidad de calor que elimina el condensador de cabeza y con los productos. El calor que entra en una columna de destilación es un parámetro operativo crucial; la adición de calor en exceso o insuficiente a la columna puede provocar espuma, goteo, arrastre o inundación.
La figura 3 muestra 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 industrial tienen salidas a intervalos a lo largo de la columna, de modo que se pueden retirar múltiples productos con diferentes rangos de ebullición de una columna que destila una corriente de alimentación de múltiples componentes. Los productos "más livianos" con los puntos de ebullición más bajos salen por la parte superior de las columnas y los productos "más pesados" con los puntos de ebullición más altos salen por la parte inferior.
Las columnas de fraccionamiento industrial utilizan reflujo externo para lograr una mejor separación de los productos. [3] [5] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido condensado de arriba 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 a los vapores que fluyen hacia arriba, lo que aumenta la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo y/o más bandejas se proporcionen, mejor será la separación de la torre entre los materiales de punto de ebullición más bajo y los de punto de ebullición más alto.
El diseño y el funcionamiento de una columna de fraccionamiento dependen de la composición de la alimentación, así como de la composición de los productos deseados. Dada una alimentación de componentes binarios simple, se pueden utilizar métodos analíticos como el método McCabe-Thiele [5] [8] [9] o la ecuación de Fenske [5] . Para una alimentación de múltiples componentes, se utilizan modelos de simulación tanto para el diseño, 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 hacia arriba y el líquido que fluye hacia abajo dentro de una columna de fraccionamiento industrial. Dichas bandejas se muestran en las figuras 4 y 5.
La eficiencia de un plato o bandeja es típicamente menor que la de una etapa de equilibrio teóricamente eficiente al 100 % . Por lo tanto, una columna de fraccionamiento casi siempre necesita más platos físicos reales que la cantidad requerida de etapas de equilibrio líquido-vapor teóricas .
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En los usos industriales, a veces se utiliza un material de relleno en la columna en lugar de bandejas, especialmente cuando se requieren bajas caídas de presión a lo largo de la columna, como cuando se opera al vacío . Este material de relleno puede ser un relleno vertido al azar (1–3 pulgadas o 2,5–7,6 cm de ancho) 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 se produce la transferencia de masa . Los rellenos de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y espacio vacío entre los rellenos. Ambos factores afectan el rendimiento del relleno.