Destilación fraccionada
La destilación fraccionada es la separación de una mezcla en sus 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. Se utiliza para refinar el petróleo crudo.
Montaje de laboratorio
La destilación fraccionada en un laboratorio utiliza cristalería y aparatos comunes de laboratorio, que normalmente incluyen un mechero Bunsen, un matraz de fondo redondo y un condensador, así como la columna de fraccionamiento de un solo propósito.
Como ejemplo, considere 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 se puede purificar por completo mediante destilación fraccionada directa de mezclas de etanol y agua.
El aparato se ensambla como en el diagrama. (El diagrama representa un aparato por lotes 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 fraccionador la columna está encajada en la parte superior. La columna de destilación fraccionada se configura 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; es más fresco en la parte superior y más caliente en la parte inferior. A medida que el vapor mezclado asciende por el gradiente de temperatura, parte del vapor se condensa y vaporiza a lo largo del gradiente de temperatura. Cada vez que el vapor se condensa y 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 la cantidad de calentamiento y el 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 plato están en equilibrio. El componente más volátil de la mezcla sale como gas por la parte superior de la columna. El vapor en la parte superior de la columna luego pasa al condensador, que lo enfría hasta que se licua. La separación es más pura con la adición de más platos (a una limitación práctica de calor, flujo, etc.) Inicialmente, el condensado estará cerca de la composición azeotrópica, pero cuando se haya extraído gran parte del etanol, el condensado se vuelve gradualmente más rico en agua. El proceso continúa hasta que todo el etanol hierve de la mezcla. Este punto se puede reconocer por el fuerte aumento de la temperatura que se muestra en 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, plateados internamente) rellenos con un relleno, a menudo pequeñas hélices de vidrio de 4 a 7 milímetros (0,16 a 0,28 pulgadas) de diámetro. Dicha columna se puede calibrar 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 separador de reflujo (alambre de reflujo, gago, balde basculante magnético, etc.); un fraccionamiento cuidadoso típico emplearía una relación de reflujo de alrededor de 4: 1 (4 partes de condensado de retorno por 1 parte de extracción de condensado).
En la destilación de laboratorio, comúnmente se encuentran varios tipos de condensadores. El condensador Liebig es simplemente un tubo recto dentro de una camisa de agua y es la forma más simple (y relativamente menos costosa) de condensador. El condensador de Graham es un tubo en espiral dentro de una camisa de agua, y el condensador de Allihn tiene una serie de constricciones grandes y pequeñas en el interior del tubo, cada una de las cuales aumenta el área superficial sobre la cual se pueden condensar los constituyentes del vapor.
Las configuraciones alternativas pueden usar un matraz receptor de destilación de múltiples salidas (denominado "vaca" o "cerdo") para conectar tres o cuatro matraces receptores al condensador. Al girar la vaca o el cerdo, los destilados se pueden canalizar hacia cualquier receptor elegido. Debido a que no es necesario quitar 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 oa presión reducida. Un triángulo de Perkin es un aparato alternativo que se usa 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.
Destilación industrial
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 de separación criogénica de aire. En la mayoría de los casos, la destilación opera en un estado estable continuo. Siempre se agrega nueva alimentación a la columna de destilación y siempre se eliminan productos. A menos que el proceso se altere 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 retira son normalmente iguales. Esto se conoce como destilación fraccionada continua en estado estacionario.
La destilación industrial generalmente se realiza en grandes columnas cilíndricas verticales conocidas como "torres de destilación o fraccionamiento" o "columnas de destilación" con diámetros que van desde alrededor de 0,65 a 6 metros (2 a 20 pies) y alturas que van desde alrededor de 6 a 60 metros (20 a 197 pies) o más. Las torres de destilación tienen salidas de líquido a intervalos hacia arriba de la columna que permiten la extracción de diferentes fracciones o productos que tienen diferentes puntos de ebullición o rangos de ebullición. Al aumentar la temperatura del producto dentro de las columnas, se separan los diferentes productos. El "más ligero" los productos (los que tienen el punto de ebullición más bajo) salen por la parte superior de las columnas y los "más pesados" los productos (aquellos con el punto de ebullición más alto) salen del fondo de la columna.
Por ejemplo, la destilación fraccionada se usa en las refinerías de petróleo para separar el petróleo crudo en sustancias útiles (o fracciones) que tienen diferentes hidrocarburos de diferentes puntos de ebullición. Las fracciones de petróleo crudo con puntos de ebullición más altos:
- tienen más átomos de carbono
- tienen pesos moleculares más altos
- son alcanes de cadena menos ramificada
- son más oscuros en color
- son más viscosos
- son más difíciles de encender y quemar
Las torres industriales a gran escala utilizan el reflujo para lograr una separación más completa de los productos. 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, lo que aumenta la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo se proporciona para un número determinado de placas teóricas, mejor será la separación de la torre de los materiales de menor punto de ebullición de los materiales de mayor punto de ebullición. Alternativamente, cuanto más reflujo se proporciona para una separación deseada dada, menos platos teóricos se requieren.
La destilación fraccionada también se usa en la separación de 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 usa un material de relleno en la columna en lugar de bandejas, especialmente cuando se requieren caídas de presión bajas a lo largo de la columna, como cuando se opera al vacío. Este material de empaque puede ser un empaque de vertido aleatorio (de 1 a 3 pulgadas (25 a 76 mm) de ancho) como anillos Raschig o láminas de metal estructurado. 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 de platos convencional en la que cada plato representa un punto separado de equilibrio líquido-vapor, la curva de equilibrio líquido-vapor en una columna empacada es continua. Sin embargo, cuando se modelan columnas empacadas, es útil calcular varias "placas teóricas" para denotar la eficiencia de separación de la columna empacada con respecto a los platos más tradicionales. Los rellenos de diferentes formas tienen diferentes áreas superficiales y porosidad. Ambos factores afectan el desempeño del empaque.
Diseño de columnas de destilación industrial
El diseño y funcionamiento de una columna de destilación depende de la alimentación y los productos deseados. Dada una alimentación de componentes binaria simple, se pueden utilizar métodos analíticos como el método de McCabe-Thiele o la ecuación de Fenske. Para una alimentación de varios componentes, se utilizan modelos de simulación tanto para el diseño como para la operación.
Además, las eficiencias de los dispositivos de contacto vapor-líquido (denominados placas o bandejas) que se utilizan en las columnas de destilación suelen ser inferiores a las de un etapa de equilibrio 100% eficiente. Por lo tanto, una columna de destilación necesita más platos que el número de etapas teóricas de equilibrio vapor-líquido.
Reflujo se refiere a la porción del producto de cabeza condensada 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 inversamente relacionada con el número teórico de etapas requeridas para una separación eficiente 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 la cantidad de etapas teóricas requeridas y los flujos de corriente, incluida la relación de reflujo, el reflujo de calor y otras cargas 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 que se utilizan son las columnas de plato y de relleno. Las columnas de empaque normalmente se usan para torres más pequeñas y cargas que son corrosivas o sensibles a la temperatura o para servicio de vacío donde la caída de presión es importante. Las columnas de platos, 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 de la refinación de petróleo.
En la industria de la refinación de petróleo, el diseño y la operación de las torres de fraccionamiento todavía se realizan en gran medida de forma empírica. Los cálculos involucrados en el diseño de columnas de fraccionamiento de petróleo requieren en la práctica habitual el uso de gráficos numerables, tablas y ecuaciones empíricas complejas. En los últimos años, sin embargo, se ha realizado una cantidad considerable de trabajo para desarrollar procedimientos de diseño asistidos por computadora eficientes y confiables para la destilación fraccionada.
Historia
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) con el título Liber de septuaginta. 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, una obra originalmente árabe falsamente atribuida a Avicena que fue traducida al latín y pasaría a formar la fuente alquímica más importante para Roger Bacon (c. 1220–1292).
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