Química industrial

Industriales. Destilación. Equilibrio. Ley de Raoult. Balances entálpicos. Recalentadores. Condensadores

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Destilación

La destilación es un método para separar los componentes de una solución, el que depende de la distribución de las sustancias entre las fases gaseosa y líquida y es aplicable a los casos donde todos los componentes se hallan presentes en ambas fases. En lugar de introducir una nueva sustancia a la mezcla, para lograr una segunda fase como se hace en la absorción o desorción gaseosa, la nueva fase se crea en la solución original por evaporación o por condensación.

Para hacer clara la distinción entre la destilación y las otras operaciones citaremos algunos ejemplos. En la separación de una solución de sal común y agua ya que ésta es para todos los fines prácticos, bastante no volátil en las condiciones reinantes. Esta es la operación de evaporación. La destilación por otra parte está relacionada con la separación de soluciones donde todos los componentes son apreciablemente volátiles. En esta categoría, consideramos la separación de una solución liquida de amoníaco y agua. Por contacto de la solución amoniaco-agua con aire, el que es prácticamente insoluble en él liquido, el amoniaco puede desorberse, pero el amoniaco está entonces mezclado con vapor de agua y aire y no se lo obtiene en forma pura. Por otra parte, aplicando calor, podemos evaporar prácticamente la solución y crear de tal manera una fase gaseosa consistente de nada mas que agua y amoniaco. Y como el gas será más rico en amoniaco que él líquido residual, tendremos como resultado un cierto grado de separación. Luego, mediante una apropiada manipulación de las fases o a través de evaporaciones y condensaciones repetidas, es generalmente posible hacer una separación tan completa como se desee, recuperando ambos componentes de la mezcla en un estado tan puro como se desee.

Las ventajas de tal método de separación son claras. En la destilación la nueva fase difiere de la original por su contenido calórico, pero él calor se adiciona o extrae rápidamente sin dificultad; aunque, por supuesto, deberá inevitablemente considerarse el costo para hacer esto. Las operaciones de absorción o desorción, que por otra parte dependen de la introducción de una sustancia extraña, nos proporcionan una nueva solución, la que a su vez tiene que ser separada por una de las operaciones de difusión, a menos que se utilice directamente la nueva solución.

Pero existen ciertas limitaciones para utilizar la destilación como proceso de separación. En la absorción u operaciones análogas, donde con fines de distribución conviene introducir una sustancia extraña para obtener una nueva fase, elegiremos normalmente entre una gran variedad de solventes para obtener el mayor efecto posible de separación. Por ejemplo, como el agua no es eficaz para la absorción de gases hidrocarburados de una mezcla gaseosa, en su lugar se eligirá un aceite hidrocarburado que produce una alta solubilidad. Pero en la destilación no existe tal elección. El gas que puede crearse mediante la aplicación de calor, inevitablemente esta formado solamente por los componentes del liquido. Por lo tanto como el gas es químicamente muy parecido al liquido, el cambio en composición resultante de la distribución de los componentes entre las dos fases no es generalmente muy grande. Realmente, en algunos casos el cambio en composición es tan pequeño, que el proceso se hace impractico, pudiendo aun suceder que no halla cambio alguno de composición.

Sin embargo, la separación directa que es posible generalmente mediante la destilación, la que permite obtener productos puros que no requieren un procedimiento posterior, ha hecho de la destilación una de las más importantes operaciones con transferencia de masa.

OPERACIONES DE DESTILACION CONTINUA

Los procesos de separación alcanzan sus objetivos mediante la creación de dos o más zonas que coexisten y que tienen diferencia de temperatura, presión, composición y fase. Cada especie molecular de la mezcla que se vaya a separar reaccionara de modo único ante los diversos ambientes presentes en esas zonas. En consecuencia, conforme el sistema se desplaza hacia el equilibrio, cada especie establecerá una concentración diferente en cada zona y esto da como resultado una separación entre las especies.

El proceso de destilación utiliza fases de vapor y líquido, esencialmente a la misma temperatura y a la misma presión, para las zonas coexistentes. Se utilizan varios tipos de dispositivos, como, por ejemplo los empaques vaciados u ordenados y las bandejas o platos para que las dos fases entren en contacto íntimo. Los platos se colocan uno sobre otro y se encierran con una cubierta cilíndrica para formar una columna. Los empaques también están contenidos dentro de una cubierta cilíndrica, entre los platos de apoyo y soporte. En la siguiente figura aparece la representación esquemática de una columna característica de destilación del tipo de platos, junto con sus principales accesorios externos.

El material de alimentación que se debe separar en fracciones, se introduce a uno o más puntos a lo largo de la coraza de la columna. Debido a la diferencia de gravedad entre la fase de vapor y la liquida, él liquido corre hacia debajo de la columna, cayendo en cascada de plato a plato, mientras que el vapor asciende por la columna, para entrar en contacto con el liquido en cada uno de los platos.

El liquido que llega al fondo de la columna se vaporiza parcialmente en un rehervidor calentado para proporcionar vapor rehervido que haciende por la columna. El resto del liquido se retira como producto del fondo. El vapor que llega a la parte superior de la columna se enfría y condensa como liquido en el condensador superior. Parte de este liquido regresa a la columna como reflujo, para proporcionar un derrame liquido. El resto de la corriente superior se retira como producto destilado o superior.

Este patrón de flujo en el domo de la columna de destilación proporciona un contacto, a contra corriente de la corriente de vapor y liquido, en todos los platos de la columna. Las fases de vapor y liquido en un plato dado se acercan a los equilibrios de temperatura, presión y composición, hasta un punto que depende la eficiencia del plato de contacto.

Los componentes más ligeros (de punto de ebullición mas bajo) tienden a concentrarce en la fase de vapor, mientras que los mas pesados (de punto de ebullición mas altos) tienden a la fase liquida. El resultado es una fase de vapor que se hace más rica en componentes ligeros al ir ascendiendo por la columna, y una fase liquida que se va haciendo cada vez más rica en los componentes pesados conforme desciende en cascada. La separación general que se logra entre el producto superior y del fondo depende primordialmente de las volatilidades relativas de los componentes, el numero de platos de contacto y la relación de reflujo de la fase liquida a la de vapor.

Si la alimentación se introduce en un punto situado a lo largo de la coraza de la columna, la columna se dividirá en sección superior, que se denomina con frecuencia sección de rectificación, y otra inferior, que suele recibir el nombre de sección de agotamiento estos termino se vuelven bastante indefinidas en columnas en las cuales se retira una corriente lateral de producto en algún punto a lo largo de la columna, además de las dos corrientes de productos de los extremos.

Concepto de la etapa de equilibrio: Los procesos de transferencia de energía y masa en una columna real de destilación son demasiados complicados para poder modelarlos con facilidad en forma directa. Esta dificultad se superan mediante el modelo de etapa de equilibrio. Por definición, la corriente de vapor y la de liquido que salen de equilibrio están en equilibrio completo entre sí y se pueden utilizar relaciones termodinámica para relacionar las concentraciones de las dos corrientes en equilibrio. Se diseña una columna hipotética que se compone de etapas de equilibrio (en lugar de verdaderos platos de contacto), para realizar la separación especificada para columna real. A continuación el numero de etapas de equilibrio se debe convertir en un numero dado de platos reales, por medio de eficiencias de plato que describen el punto hasta el cual el rendimiento de una bandeja real de contacto corresponde al rendimiento de una etapa de equilibrio.

El empleo del concepto de etapa de equilibrio separa el diseño de una columna de destilación en tres partes principales:

  • Los datos y los métodos termodinamicos que se requieren para predecir las composiciones del equilibrio de fases se tienen que determinar cuidadosamente.

  • Se debe calcular él numero de etapas de equilibrio que se requieren para lograr una separación especifica o la separación que se obtendrá con un numero dado de etapas de equilibrio.

  • El numero de etapas de equilibrio se debe convertir en un numero equivalente de platos reales de contacto, o determinar la altura del empaquetamiento y el diámetro de la columna.

  • OPERACIONES COMPLEJAS DE DESTILACION

    Todas las operaciones de separación requieren un suministro de energía en forma de calor o trabajo. En la operación convencional de destilación, (fig. 1), la energía requerida para la separación de las especies se agrega en forma de calor al recalentador, en fondo de la columna, donde la temperatura es máxima. Además, se elimina calor del condensador, en la parte superior de la columna, donde la temperatura es mínima. Con frecuencia, esto da por resultado un requerimiento elevado de suministro de energía y una baja eficiencia termodinámica general, que tenia poca importancia (excepto para los procesos criogenicos y de alta temperatura) cuando los costos de la energía eran bajos. Con el reciente incremento en los costos de energía, las operaciones complejas de destilación que tienen una eficiencia termodinámica más elevada y menores requerimientos de energía se están revisando. En algunos casos, toda o parte de la energía se suministra como trabajo.

    Las operaciones complejas de destilación pueden utilizar columnas sencillas, como las mostradas en la figura 2.

    En la figura 2a, que es particularmente útil cuando existe una gran diferencia de temperatura entre los extremos de la columna, se tienen interrecalentadores que se suministran calor a las temperaturas más bajas y\o intercondensadores, que lo eliminan a las temperaturas mas elevadas. Como se aprecia en la figura 2b, estos intercambiadores de calor intermedios pueden estar acoplados con una bomba de calor que toma energía del intercondensador y utiliza el trabajo de flecha para elevarla hasta una temperatura lo suficientemente alta para transferirla al intercalentador.

    En especial, cuando la diferencia de temperatura entre los extremos de la columna no es grande, cualesquiera de los tres sistemas de bombas de calor que aparecen en las figuras 2c,d y e y que incluyen un acoplamiento térmico con el condensador de la parte superior y el reacoplamiento térmico con el condensador de la parte superior y el recalentador inferior, puede considerarse para eliminar la transferencia de calor externa casi en su totalidad y sustituirla por el trabajo de flecha como principal suministro de calor para lograr la separación. En forma opcional, se pueden utilizar las columnas múltiples o arreglos de torres divididas, que aparecen en la figura 3ª , las cuales corresponden al concepto de ahorro de energía utilizado en la evaporación de efecto múltiple. La alimentación se divide en forma mas o menos equitativa entre dos columnas que operan en paralelo, pero a diferentes presiones, e una cascada que disminuye de izquierda a derecha. Con la selección adecuada de la presión de operación de la columna, con la presión más elevada, se condensa el recalentador de la columna de la presión más baja. Se necesita un medio externo de transferencia de calor exclusivamente para el recalentador del primer ejemplo y el condensador del ultimo efecto. Por consiguiente, para N efectos, los requerimientos de la planta son del orden 1/ N, en comparación con los requeridos para una columna convencional de efecto sencillo.

    En otra opción mostrada en la figura 3b, la sección de rectificación puede operarse a una presión mas elevada que la sección de agotamiento, de tal manera que el calor se puede transferir entre cuales quiera de los pares de etapas deseadas de las dos secciones. Esta técnica, descrita por Mah y colaboradores y conocida como destilación SRV (reflujo y evaporación secundarias)puede dar como resultado una reducción significativa de los requerimientos de la planta, para el condensador de la parte superior y el recalentador inferior. Cuando se van a separar mezclas de multicomponentes en tres o más productos se utilizan, por lo general, secuencias de columnas sencillas del tipo mostrado en la figura 1. Por ejemplo, si una mezcla ternaria se va a separar en tres productos relativamente puros, se puede utilizar cualquiera de las dos frecuencias que aparecen en la figura 4. En la secuencia directa, mostrada en la figura 4 a, todos los productos, excepto el mas pesado se eliminan uno por uno, en forma de destilados. Lo contrario es valido para la secuencia indirecta, mostrada en la figura 4b. El número de secuencias posibles de columnas sencillas de destilación se incrementa rápidamente con el número de productos. Por consiguiente, a pesar de que solo son posibles las dos secuencias mostradas en la figura 4, para una mezcla separada en tres productos, existen 14 secuencias separadas diferentes, una de las cuales aparece en la figura 5 que se pueden sintetizar cuando se van a obtener 5 productos. Como se muestra en un estudio de Tedder y Rudd, las secuencias convencionales, como las que aparecen en la figura 4, no siempre pueden ser la selección optima, sobre todo cuando en la alimentación se encuentran presentes grandes cantidades de especies de volatilidad intermedia o que no necesitan recuperarse con una pureza elevada. De gran interés son los sistemas acoplados térmicamente. Por ejemplo, en la figura 6 a puede verse como se extrae una corriente lateral de vapor impuro de la primera columna y se purifica en un rectificador de corte lateral, cuyos fondos se regresan a la primera columna. El sistema térmicamente acoplado, que aparece en la figura 6 b analizado por Stupin y Lockhart, que se conoce como torres de Petlyuk, es particularmente útil para reducir los requerimientos de energía .

    Cuando la alimentación inicial contiene especies con puntos de ebullición cercanos. Se muestra una alimentación ternaria y la primera columna de la figura 6b es un prefraccionador, que manda todos los componentes ligeros y pesados al destilados y a los fondos, respectivamente, pero permiten que los componentes de volatilidad intermedia se dividan entre el destilador y los fondos. Los productos del prefraccionador se envían a los platos adecuados de alimentación de la segunda columna, donde se producen los tres productos, de los cuales el intermedio se extrae como una corriente lateral. Solo la segunda columna tiene condensador y recalentador; el reflujo y el vapor del recalentador para el fraccionador se obtienen de la segunda columna, este concepto se puede ampliar a las separaciones en las que se producen mas de tres productos.

    OPERACIONES CONEXAS DE SEPARACION

    Las operaciones de destilación simple y compleja descritas anteriormente tienen dos cosas en común:

  • Se proporcionan las dos secciones de rectificación y agotamiento para que se pueda lograr una separación entre los dos componentes de volatilidad cercana.

  • La separación esta efectuada exclusivamente por adición y eliminación de energía y no por un suministro de un agente de separación de masa (MSA), como, por ejemplo, en una extracción líquido - líquido. En ocasiones, operaciones opcionales de separación vapor- líquido en etapa sencilla o múltiple, del tipo mostrado en la figura 7, pueden ser mas adecuadas que la destilación para una tarea especifica.

  • En la figura 7 a aparece un evaporador instantáneo de una sola etapa, que puede ser adecuado si 1) la volatilidad relativa entre los dos componentes a separar es muy grande, 2) la recuperación de un solo componente es la meta a lograr en una de las dos corrientes de productos, sin importar la separación de los demás componentes, o 3) solo se va a realizar una separación parcial. Un ejemplo común es la separación de gases ligeros, como, por ejemplo, hidrogeno y metano, de los compuestos aromáticos. La temperatura y presión deseada de un evaporador instantáneo se pueden lograr mediante el empleo de intercambiadores de calor, una válvula, un compresor y/o una bomba, aguas arriba del recipiente utilizado para separar el vapor del producto y las fases liquidas. Dependiendo de la composición original de la alimentación, el producto se puede evaporar o condensar parcialmente, en la llamada operación de evaporación instantánea.

    Si se requiere la recuperación de un solo componente, en lugar de la separación de dos componentes con volatilidades cercanas, basta con la absorción o agotamiento en una sola sección de etapas. Si la alimentación es vapor e en condiciones de separación, se utiliza el agotamiento, ya sea con un absorbente MSA liquido de baja volatilidad, como se muestra en la figura 7b, o con el reflujo producido por un condensador superior parcial, como se ve en la figura 7c. Por lo general, la sección depende de la facilidad para condensar el vapor que sale por la parte superior o de la recuperación y recirculacion del absorbente. Si la realimentación es en forma liquida, en condiciones de separación, se utiliza el agotamiento, ya sea por medio de un agente de agotamiento del vapor suministrado externamente y con volatilidad relativamente elevada, como se muestra en la figura 7d, o con el vapor rehervido, producido por un recalentador parcial, como se observa en la figura 7e. La selección depende de la facilidad para recalentar parcialmente los fondos o de la recuperación y recirculacion del agente de agotamiento.

    Si se requiere una separación bien definida entre los dos

    componentes de volatilidades cercanas, pero se necesita una temperatura indeseablemente baja para producir el reflujo, a la presión de operación de la columna, o bien se requiere una temperatura indeseablemente elevada para producir vapor rehervido, se utiliza la separación con reflujo o la absorción con recalentamiento, como se muestra en las figuras 7g y 7f, respectivamente. En cualesquiera de los casos, la selección del MSA sigue las mismas consideraciones establecidas para la absorción y separación simples.

    Cuando la diferencia de volatilidad entre los dos componentes a separar es tan pequeña que se requeriría un gran número de etapas, entonces debe conciderarce la destilación extractiva, como la que se muestra en la figura 7h. En este caso, se selecciona un MSA que proporciona la diferencia de volatilidad suficientes para reducir etapas requeridas a un número razonable. Por lo general, el MSA es un compuesto polar de baja volatilidad y sale con los fondos, de donde es recuperado y recirculado. Dicho agente se introduce en cantidades apreciables a una etapa cercana a la parte superior, para que afecte la diferencia de volatilidad en casi todas las etapas. Parte del reflujo de l etapa superior se utiliza para reducir al mínimo el contenido de MSA en el destilado. Una opción a la destilación extractiva es la destilación azeotrópica, que se muestra en la figura 7i, en una de sus muchas modalidades. En una modalidad común, se utiliza un MSA que forma un azeótropo heterogéneo con un punto de ebullición mínimo, con uno o mas componentes de la alimentación. El azeótropo se extrae por la parte superior y la fase rica en MSA se decanta y se devuelve a la parte superior de la columna, como reflujo.

    Son posibles otras configuraciones de etapas múltiples. Una variación importante al separador, mostrada en la figura 7d, es el agotador con reflujo al que se agrega un condensador en la parte superior. Dicha configuración se utiliza para separar el vapor del agua agria, que contiene NH3, H2O, fenol y HCN.

    Todas las operaciones de destilación mostradas en la figura 7 así como las operaciones de destilación complejas descritas anteriormente se conocen como separaciones tipo destilación, porque tienen aspectos en común respecto a los calculo de:

  • Las propiedades termodinámica.

  • Las etapas de equilibrio vapor- líquido.

  • Las dimensiones de la columna.

  • De hecho, se verá en lo que resta de esta sección la tendencia es a utilizar paquetes generalizados de programas por computadora digital que calculen la mayor parte o todas las operaciones de separación del tipo destilación.

    En esta sección no se incluye el manejo de las separaciones tipo destilación desde el punto de vista de la transferencia de masa o la unidad de transferencia. Sin embargo, en la sección 14 se presentan los detalles del tema, aplicación a la absorción y agotación.

    EQUILIBRIO LÍQUIDO - VAPOR

    El éxito logrado con la aplicación de los métodos de destilación depende, de un sumo grado, de la acabada comprensión del equilibrio que existe entre las fases liquida y de vapor de las mezclas consideradas. Es esencial, entonces, un breve repaso de este principio se pondrá aquí el énfasis sobre las mezclas binarias.

    Equilibrio a presión constante.

    Consideramos primero una sección típica a presión constante (fig. 9a). La intersección de la superficie doble de la figura 8 con el plano a presión constante, producirá una curva en bucle sin máximos o mínimos, extendiéndose desde el punto de ebullición de B puro hasta A puro, a la presión en cuestión. La curva superior nos da la relación entre temperatura y composición de vapor (t-y*) y la inferior la de temperatura y composición de líquido (t-x). En el equilibrio, las mezclas de líquido y de vapor se hallan a la misma temperatura y presión en todas sus partes, de manera que las líneas llenas horizontales tales como la DF unan mezclas en equilibrio en D y F. Existe un número infinito de tales líneas para este diagrama. Una mezcla en la curva inferior, como en el punto D, es la de líquido saturado; una mezcla de la curva superior, como la del punto F, es la de vapor saturado. Una mezcla en el punto E es una mezcla de dos fases, formada por una fase liquida de composición D y una fase de vapor de composición F, proporciones tales que la composición media de la mezcla total estará representada por E. Las cantidades relativas de las faces de equilibrio están relacionadas con los segmentos de las líneas de unión, de tal forma que

    Moles de D Línea EF

    -------------- : -------------

    Moles de F Línea DE

    Consideremos una solución como la del punto G en un recipiente cerrado que puede mantenerse a presión constante mediante un pistón móvil. La solución es totalmente liquida. Si se calienta, la primera burbuja de vapor se formara en el punto H y tendrá la composición J, más rica en la sustancia más volátil y por este motivo inferior se llama curva de temperatura en punto de burbuja. A medida que más se evapora la mezcla, mas vapor se formara a expensas del líquido, elevándose, por ejemplo, hasta el líquido L y su vapor en equilibrio K, aunque la masa total es la original G. La ultima gota de líquido evaporara en M y tendrá la composición N. Sobrecalentando la mezcla seguirá el trayecto MO. La mezcla ha evaporado dentro del intervalo H a M, distinto de la temperatura de evaporación simple de una sustancia pura. Así, el término punto de ebullición generalmente no tiene significado para una solución, ya que la evaporación tiene lugar dentro de un intervalo de temperatura, es decir, desde el punto de burbuja hasta el punto de rocío. Si se enfría la mezcla en 0, todo el fenómeno se repite en orden inverso. La condensación, por ejemplo, comienza en M, donde la curva superior se denomina curva punto de rocío; y continua hasta H.

    Si se hierve una solución tal como la H en un recipiente abierto los vapores pasaran a la atmósfera; y como el vapor es rico en la sustancia más volátil, el líquido residual resultará empobrecido en dicha sustancia. La temperatura y la composición del líquido residual saturado seguirán por lo tanto la curva inferior hasta N mientras la destilación prosigue.

    La composición de equilibrio líquido-vapor, puede mostrarse en un diagrama de distribución (de coordenada x e y*) como el de la figura 10 b, donde el punto P del diagrama representa la línea de unión DF. Como el vapor es más rico en la sustancia más volátil, la curva estará situada arriba de la línea diagonal a 45º, ya que ha sido dibujada a los efectos de comparación.

    Volatilidad relativa

    A mayor distancia entre la curva de equilibrio y la diagonal de la fig.10 b, mayor será la distancia de las composiciones del líquido y del vapor, y más fácil será la separación por destilación. Una medida numérica de esto está dada por el llamado factor de separación, o en el caso de destilación, en particular, por la volatilidad relativa a Esta es la relación de la relación de concentraciones de A y B entre una fase y otra y es una medida de la separabilidad.

    SOLUCIONES IDEALES - LEY DE RAOULT

    Antes de estudiar las características de las mezclas que se apartan marcadamente de las descriptas, consideraremos el equilibrio para el caso limite de mezclas cuyos vapores y líquidos son ideales.

    Para una solución ideal, la presión parcial de equilibrio p* de un constituyente a una temperatura determinada es igual al producto de su presión de vapor P puro a esta temperatura por su fracción molar en el líquido. Esta es la ley de Raoult.

    Si la fase de vapor es también ideal, y la presión total, como también las presiones parciales son lineales en x a una temperatura determinada. Estas relaciones se muestran gráficamente en la figura 11 La composición de vapor en equilibrio puede luego calcularse a esta temperatura. Por ejemplo, el valor de y * en el punto D de la figura es igual a la relación de las distintas FG y EG.

    La volatilidad relativa ð es, por sustitución en la Ec (fig. 10)

    Para soluciones ideales es posible calcular el equilibrio líquido- vapor total, a partir de las precisiones de vapor de las sustancias puras. Para todas las otras mezclas, sin embargo, es necesario detener los datos en forma experimental.

    Mezclas azeotrópicas con el mínimo punto de ebullición

    Las desviaciones positivas de la idealidad son suficientemente grandes y las presiones de vapor de los dos componentes no se apartan demasiado, las curvas de presión total a temperatura constante pueden elevarse pasando por un máximo a cierta concentración, como se ve en la figura 12. De tal mezcla se dice que forma un azeótropo, o mezcla de punto de ebullición constante. El significado de esto se ve más fácilmente estudiando la sección a presión constante (figura 12b o c). Las curvas de composición del líquido y del vapor son tangentes en el punto L, el punto de azeotropía a esta presión, el que representa la temperatura de ebullición mínima para este sistema. Para todas las mezclas de composición menor que L, tal como en la C, el vapor de equilibrio (E) es más rico en el componente más volátil que el líquido (D). Sin embargo, para todas las mezclas más ricas que L, tales como la en F, el vapor equilibrio (G) es menos rico en la sustancia más volátil que el líquido (H). Una mezcla de composición L da lugar a la elevación de un vapor de composición idéntica a la del líquido y consecuentemente hierve a temperatura constante y sin cambio en su composición.

    Si cualquiera de las soluciones D o H, se hierven en un recipiente abierto con escape continuo de vapores, la temperatura y composición de los líquidos residuales seguirán en cada caso la curva inferior, alejándose del punto L (hacia K para un líquido en H y hacia J para uno en D).

    Soluciones como estas no pueden separarce completamente por los métodos ordinarios de destilación a esta presión, ya que a la composición azeotrópica

    y*= x y ð= 1,0*. Tanto la composición azeotrópica como su punto de ebullición cambian con la presión. En algunos casos se puede eliminar el azeotrpismo de un sistema cambiando la presión.

    Las mezclas azeotrópicas de ese tipo son muy comunes, habiéndose registrado miles de ellas. Una de las más importantes es el azeótropo etanol - agua, el que una atm. Y 78,2 ºc se encuentra con 89, 4% de etanol molar. El azeotropismo desaparece en este sistema a presiones inferiores a 70 mm Hg.

    MISCIBILIDAD LÍQUIDA PARCIAL

    Algunas sustancias muestran desviaciones positivas de la idealidad tan grandes, que no se disuelven completamente en el estado líquido, como el caso isobutanol - agua (figura 13). Las curvas que pasan por los puntos C y E, representan los límites de solubilidad de los constituyentes a temperaturas relativamente bajas. Las mezclas de composición y temperatura representadas en los puntos del área central, tales como el punto D, forman dos fases líquidas en equilibrio en C y D; la línea CE es una línea de unión líquida. Las mezclas ubicadas en regiones del otro lado de los límites de solubilidad tales como la F, son líquidos homogéneos. Generalmente la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura, y consecuentemente el área central disminuye en ancho. Si la presión fuese suficientemente alta como para que la evaporación no tuviera lugar, las curvas de solubilidad del líquido continuarían como se indica en punteado. A la presión predominante, sin embargo, la evaporación se produce antes de que esto suceda, dando lugar a las curvas equilibrio líquido-vapor ramificadas. Para líquidos homogéneos, tal como aquel en F, el fenómeno de equilibrio líquido-vapor es normal; y una mezcla tal hierve inicialmente en H, para dar la primera burbuja de vapor de composición J. Lo mismo es cierto para cualquier solución más rica que M, excepto aquella donde el vapor está empobrecido en el componente más volátil. Cualquier mezcla líquida de dos fases comprendida en el intervalo de composición de K a M, hervirá a la temperatura de la línea KM; y todo esto producirá el mismo vapor de composición L. Una mezcla líquida de composición media L, que produce un vapor de la misma composición es llamada a veces un heteroazeótropo.

    En la figura 13b se muestra el correspondiente diagrama de

    distribución con la línea de unión JK, los límites de solubilidad en los puntos K y M.

    Líquidos insolubles; destilación con vapor de agua. La solubilidad mutua de algunos líquidos es tan pequeña que pueden considerarse prácticamente insoluble: los puntos K y M de la figura 13, para los fines prácticos, están situados sobre los ejes verticales de estos diagramas. Este es el caso de una mezcla tal como hidrocarburo y agua, por ejemplo.

    Si los líquidos son completamente insolubles, la presión de

    vapor de cada componente no estará influida por la presencia de otro componente y cada uno ejerce su presión de vapor real a la temperatura reinante. Cuando la suma de las presiónes de vapor separadas iguala a la presión total, la mezcla hierve, y la composición de vapor se calcula rápidamente, suponiendo la aplicabilidad de la ley del gas simple.

    Mientras estén presentes las dos fases líquidas, la mezcla

    hervirá a la misma temperatura y producirá un vapor de composición constante.

    EJEMPLO: Una mezcla que contiene 50 g de agua y 50 g de etilanilina, la cual puede suponerse prácticamente insoluble, se calienta a presión atmosférica. Aquí se nota que al ser los dos líquidos son insolubles, cada uno ejerce su propia presión de vapor; y cuando la suma de estos iguala 760 mm de Hg, la mezcla hierve.

    Observar que por este método de destilación con vapor, hasta

    tanto el agua líquida se halle presente el líquido orgánico de alto punto de ebullición puede hacerse evaporar a una temperatura mucho menor que su punto normal de ebullición sin necesidad de un equipo para bombeo al vacío operando a 22,8 mm de Hg. Si hierve a 204 °C, este compuesto sufrirá una descomposición considerable. Sin embargo, son grandes los requerimientos calóricos del proceso de destilación con vapor, ya que se evaporará simultáneamente una gran cantidad de agua. Las alternativas serán: 1) Operar a una presión total diferente, en presencia de agua líquida, donde las relaciones de las presiones de vapor de las sustancias pueden ser más favorables, y 2) burbujear vapor sobrecalentado ( u otro gas insoluble) a través de la mezcla en ausencia de agua líquida y evaporar la etilanilina mediante su saturación del vapor.

    DESVIACIONES NEGATIVAS DE LA IDEALIDAD

    Cuando la presión total de un sistema en el equilibrio es menor que el valor ideal, se dice que el sistema se desvía negativamente de la ley de Raoult. En este caso, como con las desviaciones positivas, donde no ocurre ni asociación de vapor ni disociación líquida las presiones parciales de los constituyentes de la solución se aproximan a la idealidad a medida que sus concentraciones se aprioximan al 100 %.

    MEZCLAS AZEOTRÓPICAS CON EL MÁXIMO PUNTO DE EBULLICIÓN

    Cuando la diferencia en presiones de vapor de los componentes no es tan grande y además cuando las desviaciones negativas son grandes la curva para presión total en función de la composición puede pasar por el mínimo. Esta condición ocasiona un máximo en las temperaturas de ebullición, y una condición de azeotropismo. El vapor de equilibrio esta más empobrecido en la sustancia más volátil para líquidos cuya fracción molar es menor que la composición azeotrópica; y enriquecido si su fracción molar es mayor. Las soluciones a uno u otro lado del azeótropo, si se hacen hervir en un recipiente abierto con escape de vapor, al final dejarán en el recipiente un líquido residual de composición azeotrópica.

    Los azeótropos de máximo punto de ebullición son menos comunes que el de tipo de mínimo punto de ebullición. Un caso bien conocido es el del ácido clorhídrico-agua (11,1 % molar de ClH, 110 °C, a una atm) el que puede prepararse simplemente hirviendo una solución de cualquier concentración de ácido en un recipiente abierto. Este es un método para normalizar ácido clorhídrico.

    OPEREACIÓN DE UNA ETAPA - EVAPORACIÓN RÁPIDA

    La evaporación rápida o destilación en equilibrio, como

    también se la llama, es una operación de una etapa en la que una mezcla líquida se evapora parcialmente, al vapor se lo lleva al equilibrio con el líquido residual y las fases líquida y de vapor resultantes se separan y extraen del equipo. Puede llevarse a cabo de manera continua o discontinua (por partidas).

    Aquí la alimentación líquida se calienta en un intercambiador

    de calor tubular convencional o haciendolo pasar a traves de los tubos calentados de un horno de combustión. La presión luego se reduce, se forma vapor adiabáticamente a expensas del líquido, y la mezcla se introduce en un recipiente para separar el líquido vapor.

    El separador mostrado es del tipo ciclón, en el que se introduce la alimentación tangencialmente hacia un espacio anular cubierto. La porción líquida de la mezcla se lleva, por fuerza centrífuga, hacia la pared exterior y sale por el fondo, mientras que el vapor se eleva a través del conducto central y sale por la parte superior. Luego, el vapor puede pasarse a un condensador. La evaporación rápida de una sustancia volátil desde una relativamente no volátil, puede llevarse a cabo en el separador, a presión reducida, pero no tan baja como para que el agua común de enfriamiento no condense el producto vapor. El producto D mol/h, más rico en la sustancia más volátil, es en este caso totalmente vapor.

    DESTILACIÓN DIFERENCIAL O SIMPLE

    Si durante un número infinito de sucesivas evaporaciones

    repetidas de un líquido, solo una parte ínfima del líquido fuera sometida a la evaporación rápida en cada operación, el resultado neto sería equivalente a una destilación diferencial o simple.

    En la práctica esto puede ser solamente aproximado. Se carga

    una partida de líquido en una caldera o en un destilador que cuente con algun dispositivo calefactor tal como una camisa de vapor. La carga hierve lentamente y los vapores formados se envían rápidamente a un condensador, donde se licúan; y el condensado (destilado) se recoge en un colector. El aparato consiste esencialmente en una réplica en gran escala de la redoma de destilación y del condensador comunes de laboratorio. La primera porción del destilado será la más rica en la sustancia más volátil y al continuar la destilación del producto evaporado se hace más pobre. El destilado será recogido en varias partidas separadas llamadas “cortes”, para dar una serie de productos destilados de distintas purezas. Así, por ejemplo, si una mezcla ternaria contenía una pequeña cantidad de una sustancia muy volátil A, gran cantidad de una sustancia B de volatilidad intermedia y una pequeña cantidad de C de baja volatilidad, el primer corte, que será pequeño, contendrá la mayoría de A. Un segundo corte, grande, contendrá la mayoría de B bastante puro, pero a pesar de todo, contaminado con A y C; y el residuo que permanece en la caldera será casi todo C. A pesar de que los tres cortes contengan las tres sustancias puede obtenerse alguna separación.

    Para que tal operación se acerque aún aproximadamente a las

    características teóricas de una destilación diferencial, deberá procederse con lentitud para que los vapores que salen del líquido estén en todo momento en equilibrio con el líquido. Deberá eliminarse todo el arrastre y no habrá enfriamiento ni condensación de vapor antes que este entre al condensador. A pesar de que estas condiciones son prácticamente imposibles de obtener, es útil no obstante estudiar los resultados límites que puede producir una destilación diferencial como un patrón para comparación.

    RECTIFICACIÓN CONTINUA - SISTEMAS BINARIOS

    La rectificación continua, o fraccionamiento, es una destilación

    en contracorriente y en etapas múltiples. Para una solución binaria, con ciertas excepciones, generalmente es posible por medio de este método separar la solución en sus componentes, separando cada uno en el estado que se desee.

    LA OPERACIÓN DE FRACCIONAMIENTO: en virtud de que el líquido que sale del fondo de un absorbedor está en las mejores condiciones de equilibrio con la alimentación y puede, por lo tanto, contener concentraciones importantes del componente volátil, que las bandejas instaladas por de bajo del punto de alimentsción eran abastecidas con el vapor generado mediante un recalentador para eliminar el componente volátil del líquido. Entonces este componente entra al vapor y abandona la torre por el extremo superior. La sección superior de la torre sirve para lavar el gas libre del componente menos volátil, el que penetra en el líquido para salir por el fondo.

    En este caso la alimentación se introduce más o menos

    centralmente en una cascada de etapas vertical. El vapor ascendente de la sección superior a la de alimentación (llamada sección de absorción, enriquecimiento o rectificación) se lava con líquido para eliminar o absorber el componente menos volátil. Al no adicionar material material extraño, como en el caso de absorción, el lóquido lavador se suministra en este caso por la condensación del vaor que sale por la parte superior, el que es rico en el componente más volátil. El líquido que retorna al extremo superior de la torre se llama reflujo; y el material que se elimina que se elimina continuamente es el destilado, el que puede ser un vapor o un líquido, rico en el componente más volátil. En la sección por debajo de la alimentación (sección desorbente o extractora) el líquido es desorbido por el componente volátilmediante el vapor producido en el fondo pos evaporación parcial del líquido en el recalentador. El líquido extraído, rico en el componente menos volátil, es el residuo o desecho. Dentro de la torre, los líquidos y los vapores están siempre en sus puntos de burbuja y de rocío, respectivamente, de manera tal que las temperaturas más altas están en el fondo y las más bajas en el extremo superior. El artefacto completo se denomina fraccionador. El dispositivo total se llama fraccionador.

    Las purezas obtenidas para los dos productos separados

    dependerán sobre todo de las relaciones líquido/gas utilizadas y del número de etapas ideales suministradas en las dos secciones de la torre; estableceremos ahora las interrelaciones de éstas. El área de la sección transversal de la torre se halla enteramente regida por las cantidades de materia manipulada.

    BALANCES ENTÁLPICOS TOTALES

    En la siguiente figura las bandejas ideales se numeran

    desde la parte superior, indicando generalmente los subíndices la bandeja desde la que se origina la corriente: por ejemplo Ln son los moles liq/h que caen desde la enésima bandeja. Una raya sobre la cantidad, indica que ésta se aplica a la sección de la columna debajo del punto de introducción de la alimentación. El producto destilado puede ser líquido, vapor o una mezcla. Sin embargo, el reflujo debe ser líquido. La relación molar del reflujo al destilado separado es la relación de reflujo, a veces llamada relación de reflujo externo,

    R= Lo

    D

    d representa entonces una corriente ficticia, en realidad igual al flujo neto de salida (D en este caso) y de propiedades tales que

    Gn+1__Ln = D

    OPTIMA RELACIÓN DE REFLUJO

    Una relación de reflujo entre la mínima y la infinita nos dará la

    separación nos deseada, con el correspondiente número de bandejas teóricas necesarias variando desde infinito hasta el mínimo. La determinación del número de bandejas para varios valores de R, juntamente con los valores límites de Nm y Rm, generalmente permitirán representar la totalidad de la curva con exactitud suficiente para los más de los fines. La relación de reflujo que debiera utilizarse para un nuevo proyecto debería ser la mínima, o la más económica, para la cual los costos serán los menores. En la relación de reflujo mínima, o la más económica, para la cual los costos serán los menores. En la relación de reflujo mínima, la columna requiere un número infinito de bandejas, y consecuentemente el costo fijo es infinito, pero los costos de operación (calor para el recalentador, el agua refrigerante del condensador, la potencia para la bomba de reflujo) son menores. Al aumentar R, el número de bandejas disminuye rápidamente, pero el diámetro de la columna aumenta debido a las cantidades más grandes de líquido y de vapor reciclados por unidad de cantidad de alimentación.

    El condensador, la bomba para reflujo y el recalentador deben

    también ser más grandes. Por lo tanto los costos fijos disminuyen hasta un mínimo y luego aumentan nuevamente hasta el infinito a reflujo total. Los requerimientos de calentamiento y de enfriamiento aumentan casi directamente con la relación de reflujo, como se indica. El costo total, que es la suma de dos costos fijos y de operación, debe, en consecuencia, pasar por un mínimo para la óptima relación de reflujo. Esto sucede frecuentemente, pero no siempre, para una relación de reflujo próxima al valor mínimo (1,2 Rm a 1,5 Rm).

    RECALENTADORES

    La disposición del intercambiador de calor para obtener el

    calor necesario y el retorno de vapor en el fondo del fraccionador, puede adoptar diversas formas. Los pequeños fraccionadores utilizados para trabajo de planta piloto requerirán solamente una caldera encamisada, como se muestra esquemáticamente en la fig. 9.29a, pero la superficie de transferencia calórica y la correspondiente capacidad de vapor serán necesariamente pequeñas. El intercambiador de calor tubular construido dentro del fondo de la torre (fig. 9.29b) es una variación que suministra una superficie más grande, pero la limpieza requiere interrumpir la operación de destilación. Este tipo también puede construirse con un flotante superior interno. Ambos proporcionan un vapor que entra a la bandeja del fondo esencialmente en equilibrio con el producto residual, de manera que la última etapa de los cálculos previos representa el enriquecimiento debido al recalentador. Comúnmente, para instalaciones grandes, se usan recalentadores externos de distintas clases y estos pueden construirse con dispositivos para su limpieza. La caldera recalentadora (fig. 9.29c) con el medio calefactor en el interior de los tubos, proporciona a la torre un vapor esencialmente en equilibrio con el producto residual y entonces se comporta como una etapa inicial. El recalentador termosifón vertical (fig. 9.29d), con el medio calefactor exterior a los tubos, puede ser operado de modo que evapore todo el líquido que entra al mismo, produciendo un vapor de la misma composición que el producto residual, en cuyo caso no se logra enriquecimiento. Sin embargo, debido a la suciedad que puede producirse en los tubos con este tipo de operación, para evaporación solamente parcial, es más usual proporcionar la mezcla que sale del recalentador comprendiendo a ambos, el líquido y el vapor. El recalentador de la fig. 9.29e, recibe el líquido de la salida del sifón de la bandeja del fondo, el cual lo evapora parcialmente. Hengstebeck trata sobre otras variantes, y Fair pasa revista a sus proyectos. Lo más es no suponer que con un recalentador termosifón, tendrá lugar un fraccionamiento equivalente a una etapa, sino más bien proporcionar las etapas necesarias en la torre misma. En la fig. 9.29, el depósito que se halla al pie de la torre contiene habitualmente líquido como para sostener un flujo durante 5 a 10 min, con el fin de lograr una operación razonable estable del recalentador.

    Los recalentadores pueden calentarse mediante vapor, aceite de

    transferencia calórica u otros fluidos calientes. Para algunos líquidos de alto punto de ebullición, el recalentador puede ser un horno con quemador de combustible.

    CONDENSADORES

    Los condensadores son generalmente intercambiadores

    convencionales de calor, tubulares, dispuestos horizontalmente, con el refrigerante dentro de los tubos. Puede ubicarse el condensador arriba de la torre, para permitir el flujo hacia la bandeja superior por gravedad, del reflujo condensado. Pero para los fines constructivos y de limpieza, es más conveniente situar el condensador próximo al colector y hacer retornar el reflujo desde el tambor de acumulación hasta la bandeja superior por medio de un adecuado bombeo. Este procedimiento permite obtener una mayor caída de presión para operar las válvulas de control en la línea de reflujo.

    Para refrigerar el condensador generalmente se utiliza agua. La

    presión de la destilación debe ser suficientemente elevada como para que toda el agua de refrigeración pueda condensar el vapor sobrecalentado con una diferencia de temperatura adecuada que dé lugar a altas velocidades de transferencia de calor. Sin embargo, el costo del fraccionador aumentará con el aumento de la presión de operación; en el caso de destilados muy volátiles, como medio de enfriamiento puede utilizarse un refrigerante de baja temperatura.

    Si el condensado se enfría solo hasta el punto de burbuja, se

    enfriará posteriormente el destilado extraído en un intercambiador de calor separado, para evitar pérdidas por evaporación durante el almacenamiento.

    CONDENSADORES PARCIALES

    A veces se desea extraer un producto destilado en estado de vapor, especialmente cuando el bajo punto de ebullición del destilado hace difícil la condensación completa. En este caso, se enfria suficientemente el vapor sobrecalentado como para condensar el necesario reflujo líquido; el vapor residual da el producto, como se ve en la figura555555.

    Un condensador parcial puede producir uno entre varios resultados

  • si es suficiente el tiempo de contacto entre el vapor producido y el reflujo líquido estos estarán en equilibrio recíproco; y el condensador dará lugar a una condensación de equilibrio.

  • Si se elimina el condensado a medida que se forma, puede producirse una condensación diferencial.

  • Si el enfriamiento es muy rápido, se originará una pequeña transferencia de masa entre el vapor y el condensado y ambos tendrán prácticamente la misma composición.

  • RECTIFICACION DE MEZCLAS AZEOTROPICAS

    Las mezclas azeotrópicas con puntos de ebullición máximos y mínimos del tipo de las consideradas en las fig. 0090988875, pueden tratarce mediante los métodos ya descriptos, salvo que será imposible obtener dos productos de composiciones tales que caigan en lados opuestos de la composición azeotrópica. Por ejemplo, en la rectificación de un azeótropo de punto de ebullición mínimo el producto destilado se encontrará tan cerca como se desee de la composición azeotrópica. Pero el producto residual será rico ya sea en A o bien en B dependiendo de la alimentación sea mas rica o mas pobre en A que la mezcla azeotrópica en el caso de mezcla con punto de ebullición máximo (fig66600000) el producto residual se aproxima siempre a la composición azeotrópica. Aveces se puede separar completamente estas mezclas adicionando una tercera sustancia, como se describe más adelante.

    Sin embargo, con dos fraccionadores pueden separarce completa y rápidamente las mezclas insolubles que forman azeótropos de dos fases liquidas. Esto se basa en el hecho de que el destilado condensado forma dos soluciones liquidas en lados opuestos de la composición de equilibrio considerar la separación de la mezcla cuyo diagrama de equilibrio vapor - líquido se muestra en la figura 00000000000999, en el que la alimentación tiene la composición Zf

    Y los limites de solubilidad X r1 y Xr2 en el punto de ebullición. Si la alimentación se introduce en el fraccionador 1 de la figura9999999, es evidente que el producto residual de composición Xw1 puede hallarce tan cerca de B puro como se desee. La sección de enriquecimiento puede contener suficientes bandejas como para producir un vapor sobrecalentado que se aproxime a la composición azeotrópica M, la capa que es rica en B se devuelve como reflujo a la bandeja superior de la columna 1. Entonces la linea de operación de enriquecimiento para la columna 1 pasará por el punto

    (Y= yd1, x = xr1) como se muestra en la figura 666666. Y su pendiente será la relación líquido \ vapor en la sección de enriquecimiento.

    La capa del decantador rica en A (figura777777) se envía a la bandeja superior del fraccionador 2, el que contiene solamente una sección de desorción o agotamiento. De la fig8888888 surge claramente que la composición del producto residual, Xw2 puede hallarce tan cerca de A puro como se desee (invertir la figura para darle su aspecto habitual). El vapor de arriba de la torre 2 será de composición Yd2 el que cuando este totalmente condensado como mezcla N, producirá los mismos líquidos insolubles que el primer destilado. Por lo tanto, para ambas torres puede usarse un condensador en común.

    En la practica será deseable enfriar el destilado por debajo de su punto de ebullición, para evitar perdidas excesivas de vapor de la salida del decantador. Esto cambia ligeramente las composiciones Xr1 y Xr2 y da relaciones de reflujo interno algo mayores. Si la alimentación consiste en si misma en dos líquidos insolubles, puede alimentar al decantador, con lo cual ambos fraccionadores estarán compuestos solamente por secciones de agotamiento. Cuando se desee eliminar los últimos vestigios de agua de una sustancia tal como un hidrocarburo, es de practica común la utilización de una torre solamente, en la que el hidrocarburo seco se extrae como producto residual. La capa del decantador rica en hidrocarburo se recircula como reflujo pero se descarta la capa acuosa que contiene muy poco de hidrocarburo.

    SISTEMAS DE COMPONENTES MÚLTIPLES

    Muchas destilaciones industriales comprenden mas de dos componentes. Como generalmente puede aplicarce a tales destilaciones los principios establecidos para soluciones binarias, se introducirán nuevos problemas de proyecto que necesitan una consideración especial.

    Concideramos la separación continua de una solución ternaria formada por los componentes A,B,C cuyas volatilidades relativas se hallan en ese orden ( A el mas volátil). Puede utlizarce cualquiera de los esquemas de la figkkkmmkkmk para obtener las tres sustancias en forma prácticamente pura. De acuerdo con el esquema (a), la primera columna se utiliza para separar C como un residuo del resto de la solución. El residuo se halla necesariamente contaminado con pequeñas sustancias de B y aun con pequeñas cantidades de A, aunque si las volatilidades relativas son razonablemente grandes, el contenido del ultimo puede ser bastante pequeño. El destilado que esta contaminado con una pequeña cantidad de C, se fracciona en una segunda columna para suministrar A prácticamente puro y B. De acuerdo al esquema (B) la primera torre provee A prácticamente puro en forma directa y el residuo se separa en la segunda. La elección entre tales esquemas depende de la dificultad relativa de la separación, de acuerdo a los dos métodos, pero generalmente el esquema B será el mas económico ya que requiere una sola evaporación del componente A.

    Se pondrá énfasis en el importante principio de que un único fraccionador no puede separar mas que un componente en forma razonablemente pura de una solución con componentes múltiples y que se necesitaran un total de n-1 fraccionadores para separar un sistema de n componentes. Por ejemplo, puede pensarce al principio que el componente de volatilidad inmediata B tenderá a concentrarse en forma pura en la parte central de la primera torre, de la que puede separarce como una corriente lateral permitiendo separar A puro y C puro como destilado y residuo, respectivamente. Pero esto no es así. La bandeja de alimentación contendrán también cantidades apreciables de las tres sustancias, con la disminución gradual de C a medida que se sube en la sección de enriquecimiento. Análogamente, las bandejas inferiores a la alimentación contendrán grandes proporciones de las sustancias con cantidades decrecientes de A y de B a medida que se avanza en la sección de agotamiento. Cuando en torres fraccionadoras se deben separar corrientes laterales, se tendrá en cuenta que si han de obtenerce productos puros, estas corrientes deben ser posteriormente procesadas.

    Los principios generales del proyectos de fraccionadores de componentes múltiples son los mismos, en muchos aspectos, que los de sistemas binarios pera la escasez de datos adecuados para el equilibrio vapor- líquido impone severas restricciones en su aplicación. Son especialmente necesarias para líquidos que no son ideales, y destacar el peligro de ensayar nuevos diseños sin adecuados datos de equilibrio o estudios en plantas piloto nunca será excesivo para tales soluciones. Los métodos inadecuados de proceder con los rendimientos por bandeja para componentes múltiples representa otro problema serio no resuelto aún.

    Como los cálculos del proyecto comprenden métodos por tanteo, para su resolución frecuentemente se utilizan computadoras. Excepto en casos extraordinarios no es imposible resolverlo a mano; Sin embargo, esto se hará en caso de efectuarce para pocos proyectos. El procedimiento mas seguro de proyecto es el de Thiele y Geddes este procedimiento o modificaciones del mismo son la base de muchos procedimiento de calculo. El método presupone que, para una dada alimentación, se conoce al comienzo un número dado de bandejas, la posición de la bandeja de alimentación y la relación líquido- vapor y la temperatura para cada bandeja; y se procede a calcular el destilado resultante y los productos residuales en muchos casos, al comienzo del calculo son desconocidas las cantidades necesarias. El esquema aquí esbozado comienza por desarrollar con un mínimo de tanteos, la información necesaria para utilizar el método de Thiele- Geddes, que da el proyecto final.

    LIMITACIONES A LA ESPECIFICACION

    Se supondrá al comenzar que por lo menos se establece lo siguiente:

  • Temperatura, presión, composición y velocidad del flujo de la alimentación.

  • Presión de la destilación(frecuentemente fijada por la temperatura del agua de enfriamiento disponible, que será capas de condensar el vapor destilado proveer reflujo).

  • Introducir la alimentación en una tal bandeja de manera que resulte el menor número total de bandejas (ubicación optima de la bandeja de alimentación).

  • Perdidas calóricas ( aun cuando se supongan nulas )

  • Bajo estas condiciones se demostró que se han dejado solo tres características adicionales a especificar por el proyectista. Habiendo elegido las tres todas las otras características del fraccionador quedan fijadas. El proyectista calculará y podrá asignar valores arbitrarios temporariamente con fines de proceder por tanteos y posterior verificación.

    Las tres pueden elegirse a partir de la siguiente lista:

  • Número total de bandejas

  • Relación de reflujo.

  • Relación de recalentamiento, o sea la relación entre el vapor producido por el recalentador y el residuo separado.

  • Concentración de un componente en un producto (puede elegirse un máximo de dos)

  • Relación entre el destilado total y el residuo total.

  • En lo que sigue, se supondrá que se especifican la relación de reflujo y la separación de dos componentes. Es claro que, con más de dos componentes en la alimentación, no se conocen las composiciones completas ni los regímenes de flujo de cualquiera de los dos productos.

    Componente claves

    Es conveniente enumerar primero los componentes alimentados según el orden decreciente de sus volatilidades relativas.

    Los componentes más volátiles se denominan ¨ livianos ¨ y los menos volátiles se denominan ¨ pesados ¨. Frecuentemente habrá un componente, el componente liviano clave, que se hallará presente en el residuo en cantidades importantes; mientras que los componentes más livianos que el liviano clave se hallarán en muy pequeñas cantidades. Si todos los componentes están presentes en el residuo en concentraciones importantes, el más volátil es el liviano clave. Análogamente, habrá un componente el componente pesado clave, presente en el destilado en cantidades importantes mientras que los componentes más pesados que el pesado clave se hallarán presentes en muy pequeñas cantidades. Si todos los componentes se encuentran en el destilado en concentraciones importantes, el menos volátil es el pesado clave.

    La dificultad para la separación, medida por el número de bandejas necesarias para una dada relación de reflujo , esta fijada por las concentraciones del componente clave en los productos

    FRACCIONAMIENTO DE COMPONENTES MÚLTIPLES

    El fraccionamiento de componentes múltiples encuentra sus aplicaciones más complejas en el campo de la refinación del petróleo. Los productos del petróleo tales como la gasolina, naftas, kerosene, gas-oils, fuel-oils y aceites lubricantes son cada uno mezclas de cientos de hidrocarburos, de manera que su identidad y su número real no puede establecerse fácilmente. Por suerte, generalmente no se desean sustancias específicas en estos productos, sino más bien propiedades, de tal manera que pueden especificaxrse propiedades tales como intervalo del punto de ebullición, densidad, viscosidad y otras. No se pueden proyectar los fraccionadores para estos productos mediante métodos detallados hasta aquí, sino que tales proyectos deben basarse en estudios de laboratorio con equipos en pequeña escala. Tomemos como ejemplo para ilustrar la naturaleza compleja de alguna de estas separaciones, el diagrama esquemático de una planta de topping para la destilación inicial de un aceite crudo (fig.666). El aceite crudo luego de un intercambio calórico preliminar con algunos de los productos de la planta, se pasa a través de los tubos de un horno calentado a gas, el calentador del alambique a tubos. Acá una parte del aceite se evapora en cantidad algo mayor que aquella que se toma finalmente como producto de la evaporación. Luego la mezcla del líquido y el vapor entra a la torre grande con bandejas. En el fondo se introduce vapor abierto para separar las últimas trazas de sustancias volátiles de los productos residuales, y este vapor sube por la columna, bajando la presión eficaz y por lo tanto la temperatura de la destilación.

    Se condensan el vapor y las sustancias más volátiles (gasolina cruda) que abandonan la bandeja superior, se separa del agua, y se envía la gasolina para su almacenaje. En el esquema mostrado, se proporciona el reflujo separando una parte del líquido de la bandeja superior y retornándolo luego de enfriarlo. El líquido frío condensa parte de los vapores que se elevan, suministrando reflujo interno. En varias bandejas por debajo de la superior de la torre, puede separarse una corriente lateral que contendrá los hidrocarburos característicos de un producto nafta deseado. Como también se hallan presentes los componentes de la gasolina más volátil, el líquido se absorbe por medio de vapor en una torre con bandejas auxiliar más pequeña, y el vapor y la gasolina evaporada se envían nuevamente al fraccionador principal. La nafta desorbida se separa para su almacenaje. De igual manera, pueden separarse los cortes de gas oil y kerosene, pero cada uno de ellos debe ser desorbido por separado con vapor de agua. Los de sorbedores de vapor de agua, separados, frecuentemente se construyen dentro de una única cubierta como se muestra, por razones económicas: de tal manera que desde el exterior de una torre pequeña, los múltiples propósitos a que está destinada no resultan fácilmente evidentes. Generalmente deben procesarse posteriormente los productos retirados antes de considerarlos terminados.

    El proyecto, los métodos de operación y el número de productos a obtener de las unidades topping de este tipo, pueden variar considerablemente de refinería a refinería. En realidad, cualquier unidad individual deberá construirse para la máxima flexibilidad de operación, como por ejemplo toberas múltiples para producir la alimentación en varias bandejas y toberas múltiples para el retiro lateral de vapor, permitiendo así variaciones en la naturaleza de la alimentación y en los productos a obtener.

    DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA

    Este es un caso especial de destilación de componentes múltiples, utilizando para la separación de mezclas binarias que son difíciles o imposibles de separar por medio del fraccionamiento común. Si es muy baja la volatilidad relativa de una mezcla binaria, la rectificación continua de una mezcla binaria, la rectificación continua de una mezcla para dar productos casi puros requerirá elevadas relaciones de reflujo y también altos requerimientos calóricos como también torres de gran sección transversal y un elevado número de bandejas. En otros casos, la formación de un azeótropo puede hacer imposible la separación de productos puros por medio del fraccionamiento ordinario. En estas condiciones un tercer componente, a veces denominado “arrasador”, puede adicionarse a la mezcla binaria para formar un azeótropo nuevo con punto de ebullición bajo, con uno de los componentes originales, cuya volatilidad sea tal que pueda separarse fácilmente del otro componente original.

    Como ejemplo de una operación tal, consideramos el diagrama de flujo de la Fig. 777 para la separación azeotrópica de soluciones de ácido acético-agua, utilizando acetato de butilo como “arrasador”. El ácido acético puede separarse del agua por métodos comunes, pero solo a expensas de grandes pérdidas debido a la baja volatilidad relativa de los componentes a pesar de la gran diferencia en los puntos de ebullición a la presión atmosférica (punto de ebullición normal del ácido acético = 118,1°C), (punto de ebullición normal del agua = 100 °C ). El acetato de butilo es escasadamente soluble en el agua y, consecuentemente, forma un heteroazeótropo con ella (punto de ebullición =90,2 °C). Por lo tanto, si se agrega suficiente acetato de butilo en la parte superior de la columna de destilación (1) para formar un azeótropo con el agua en la alimentación binaria, el azeótropo podrá destilarse fácilmente del ácido acético de alto punto de ebullición, el que queda como el producto residual. Durante la condensación el heteroazeótropo forma dos capas liquidas insolubles, una, agua casi pura saturada con éster, la otra, éster casi puro saturado con agua. La última se retorna a la parte superior de la columna como reflujo y es la fuente del arrasador en la columna.

    La primera puede desorberse de su contenido pequeño de arrasador en una segunda pequeña segunda (2). La separación del ácido acético del heteroazeótropo se hace fácilmente, de tal manera que se necesitan pocas bandejas en la torre principal. En otras palabras, deberá suministrarse el calor no solamente para evaporar el agua del destilado de arriba, sino para evaporar también el arrasador. Se puede llevar a cabo la operación en forma discontinua en cuyo caso se debe cargar suficiente arrasador al alambique de destilación, siempre con la alimentación, para formar un azeótropo con el agua. Entonces se destila el azeótropo en la parte de arriba.

    A veces, el azeótropo nuevo que se ha formado contiene los tres componentes. Un ejemplo es la deshidratación de la mezcla agua-etanol con benceno como sustancia adicionada. Las soluciones diluidas de etanol-agua pueden rectificarse en forma continua para dar mezclas que a la presión atmosférica contengan hasta 89,4 por ciento en moles de etanol, ya que ésta es la composición del azeótropo de mínimo punto de ebullición en el sistema binario.

    Introduciendo benceno en el extremo superior de una columna alimentada con una mezcla de etanol-agua, el azeótropo conteniendo benceno (53,9% en moles ), agua (23,3% en moles) y etanol (22,8% en moles), con un punto de ebullición de 64,9 °C, se separa fácilmente del etanol (punto de ebullición =78,4 °C) el que sale como producto residual. También en este caso el producto de evaporación azeotrópica se separa en dos etapas liquidas, una rica en benceno que se recircula como reflujo a la parte superior de la columna, y la otra rica en agua, que se separa. Como la última contiene cantidades apreciables de benceno y de etanol, se la deberá rectificar por separado. El azeótropo ternario contiene proporciones molares aproximadamente iguales de etanol y de agua y, consecuentemente, deberán rectificarse previamente las soluciones de etanol-agua diluidas para producir sustancialmente el azeótropo binario rico en alcohol, el que se utiliza como alimentación.

    En otros casos el nuevo azeótropo que se forma no se separa en dos líquidos insolubles, por lo que debe disponerse de medios especiales para separarlos, tales como la extracción liquida; pero esto es lo menos conveniente.

    Es claro que la elección del arrasador es la consideración más importante. La sustancia adicionada deberá formar preferentemente el componente presente en cantidades menores, para producir los requerimientos calóricos del proceso. El nuevo azeótropo debe ser suficiente volátil como para hacer fácil la separación del componente residual y de tal manera que aparezcan cantidades despreciables del arrasador en el producto residual. Preferentemente deberá apoyarse en el contenido del arrasador para reducir la cantidad de evaporación necesaria en la destilación. Será deseable que sea del tipo líquido heterogéneo, ya que simplifica así la recuperación del arrasador. Además: un arrasador satisfactorio debe ser: 1) Barato y fácil de conseguir. 2) Químicamente estable e inactivo frente a la solución a separar. 3) No corrosivo a los materiales de construcción de corrientes. 4) No toxico. 5) De bajo calor latente e evaporación. 6) De bajo punto de congelamiento para facilitar el almacenaje y el manipuleo exterior. 7) De baja viscosidad para facilitar altos rendimientos por bandeja.

    DESTILACIÓN EXTRACTIVA

    Este es un método de rectificación para componentes múltiples cuyos fines son análogos a los de la destilación azeotrópica. A una mezcla binaria que sea de difícil o imposible separación por medios ordinarios, se le adiciona un tercer componente, denominado “solvente”, que altera la volatilidad relativa de los componentes originales, haciendo posible la separación. El solvente adicionado es de baja volatilidad y no se evapora apreciablemente en el fraccionador.

    Consideramos el proceso de la Fig.777, como un ejemplo de tal operación. La separación el tolueno (punto de ebullición = 110,8 °C) de hidrocarburos parafínicos de aproximadamente igual peso molecular es muy difícil o imposible, debido a la baja volatilidad relativa o aseó tropismo; y esta separación es necesaria en la recuperación del tolueno de ciertas mezclas de hidrocarburos del petróleo. Utilizando isoctano (punto de ebullición 0 99,3 °C), como ejemplo de hidrocarburo parafínico, la Fig. 777 a muestra que el isoctano es el más volátil en esta mezcla, pero la separación es obviadamente difícil. Con la presencia del fenol ( punto de ebullición 0181,4°C) la volatilidad relativa del isoctano se incrementa, de tal manera que con hasta un 83 por ciento en moles de fenol en el líquido, la separación del tolueno es relativamente fácil. En la Fig. 777 b se muestra un diagrama de flujo en el que la mezcla binaria se introduce más o menos centralmente en la torre de destilación extractiva (1), y el fenol, como solvente, se introduce cerca del extremo superior de tal manera que se encuentre en alta concentración en la mayoría de las bandejas de la torre. En estas condiciones el isoctano se destila fácilmente como producto de evaporación, mientras que el tolueno y el fenol se extraen como el residuo. A pesar de que el fenol tiene un relativamente alto punto de ebullición, su presión de vapor es suficiente como para que deba prevenirse su presencia en los productos de evaporación. La sección de la torre destinada para la recuperación del solvente, que debe ser relativamente pequeña, sirve para separar el fenol del isoctano.

    Se debe rectificar el residuo de la torre en una torre auxiliar (2). Para separar el tolueno del fenol que es recirculado, pero es ésta una separación relativamente fácil. En la practica el hidrocarburo parafínico es más una mezcla que una sustancia isoctano pura, pero el principio de operación es el mismo.

    Tal proceso se basa en la diferencia en las desviaciones de la idealidad entre el solvente y los componentes de la mezcla binaria a separar. En el ejemplo que estamos estudiando, tanto el tolueno como el isoctano forman por separado soluciones liquidas no ideales con el fenol, pero el grado de no idealidad es mayor con isoctano que con tolueno. Cuando se hallan presentes las tres sustancias, el tolueno y el isoctano se comportan con una mezcla no ideal, y su volatilidad relativa se hace alta. Las consideraciones de este tipo posibilitan la elección de un solvente para la destilación extractiva. Por ejemplo, si una mezcla de acetona (punto de ebullición = 56,4°C) y metanol (punto de ebullición = 64,7°C) que forman un azeótropo binario, se fuera a separar por destilación extractiva, probablemente podría elegirse un solvente adecuado en el grupo de los alcoholes alifáticos. El butanol (punto de ebullición = 117,8°C), ya que es miembro de la misma serie homologa, aunque no separable en alto grado, forma con el metanol soluciones sustancialmente ideales, fácilmente separables. Sin embargo, formará con la acetona soluciones de desviación positiva de la idealidad y, por lo tanto, en las mezclas ternarias se alterará sustancialmente los equilibrios acetona-metanol vapor-líquido. Si el butanol no forma azeótropo con la acetona y si este altera el equilibrio vapor-líquido de la acetona-metanol suficientemente como para destruir el azeótropo en este sistema, servirá como solvente para la destilación extractiva. Cuando ambas sustancias a separar de una mezcla binaria son entre ellas químicamente muy parecidas, será necesario un solvente de naturaleza química completamente diferente. Por ejemplo, se utilizan acetona y furfural como solventes para destilación extractiva a fin de separar los hidrocarburos butano-2 y n-butano.

    En general, los requerimientos que debe cumplir un solvente satisfactorio para la destilación extractiva son :

  • Alta selectividad o capacidad suficiente para alterar el equilibrio vapor-líquido de la mezcla original como para permitir una fácil separación, con cantidades pequeñas de solvente.

  • Alta capacidad o facultad de disolver los componentes de la mezcla a separar. Ocurre frecuentemente que sustancias que no son totalmente miscibles, son muy selectivas con la mezcla; además si no pueden obtenerse concentraciones suficientemente altas de solvente en la fase liquida, no podrá desarrollarse plenamente la capacidad de separación.

  • Baja volatilidad para impedir la evaporación del solvente con el producto de evaporación y para mantener una concentración alta en la fase liquida.

  • Separabilidad. El solvente debe separase fácilmente de la mezcla a la cual se adiciona; y especialmente no debe formar azeótropos con las sustancias originales.

  • Valen las mismas consideraciones hechas para los arrastradores en destilación azeotrópica, tales como costo, toxicidad, carácter corrosivo, estabilidad química, punto de congelamiento y viscosidad.

  • La destilación extractiva, generalmente es un proceso más deseable que la destilación azeotrópica, ya que no deben evaporarse grandes cantidades de solvente. Además es posible una elección más elástica, ya que el proceso no depende de la formación de un azeótropo. Sin embargo es conveniente no levarla a cabo en operaciones discontinuas.

    Pueden proyectarse los equipos para destilación azeotrópica y extractiva utilizando los métodos generales para destilación con componentes múltiples, habiendo disponible literatura que trata esto en detalle

    DESTILACIÓN A BAJA PRESIÓN

    Muchas sustancias orgánicas no pueden calentarse a temperaturas próximas a su punto de ebullición normal sin que se produzca su descomposición química. Si tales sustancias deben separarse por medio de la destilación, deberán mantenerse bajas las presiones y la correspondiente temperatura. También debe ser mínimo el tiempo de exposición de las sustancias a la temperatura de destilación, ya que de tal modo se reducirá el grado de descomposición térmica. Para la destilación bajo presiones absolutas del orden de varias lb/pulg.2, pueden utilizarse torres rellenas, torres con casquetes de burbujeo y torres con bandejas perforadas, proyectándolas con caídas de presión próximas a 0,05 lb/pulg.2 (2,6 mm Hg.), así como otros proyectos más simples, tales como la bandeja regadora de la Fig. 777, par los que las caídas de presión aun menores con los rociadores agitados mecánicamente y con las columnas de paredes mojadas.

    En al destilación de muchos productos naturales , tal como la separación de vitaminas de los aceites de origen animal y de pescado, como también en la separación de numerosos productos industriales sintéticos tales como los plastificantes, la temperatura no puede exceder de 200 a 300 °C, para los que las presiones de vapor de las sustancias pueden ser de una fracción de milímetro de mercurio. El equipo convencionales, por supuesto, totalmente inadecuado para tales separaciones, no solamente porque las caída de presión originaría altas temperaturas en el fondo de las columnas, sino también debido al largo tiempo de exposición a las temperaturas reinantes resultantes de la elevada retención.