PROCESOS DE DESTILACIÓN 1.1. INTRODUCCIÓN: La destilación es el método de separación de sustancias químicas puras, más antiguo e importante que se conoce. La época más activa de esta área de investigación fue en torno a los años 70. No obstante, o! en día es un área de investigación relevante, con una gran acogida tanto en el ámbito industrial como en el universitario. universitario. La destilación es la separación de una me"cla líquida por vapori"ación parcial de la misma# la fracción vapori"ada se condensa ! se recupera como líquido. La forma de destilación más antigua es la que se reali"a para para obte obtene nerr bebi bebida dass alco alcoó óli lica cas. s. $sí, $sí, al ca cale lent ntar ar una una me me"c "cla la que que contiene agua ! alcool, los componentes más livianos, en este caso el alcool, se concentran en el destilado. Las columnas de destilación, elementos utili"ados para llevar a cabo este proceso, son el resultado de la evolución tecnológica en la que se ace e%actamente lo mismo sólo que de una manera más e&ca"' a través de una serie de etapas a! evaporaciones ! condensaciones escalonadas, acopladas entre sí. La destilación se aplica en casi toda la industria química. (istóricamente, el gran interés en la destilación proviene de la industria del petróleo para obtener el combustible que usamos abitualmente, o tantos otros derivados como los plásticos. )ran parte de la investigación en destilación se a reali"ado en este sector, que utili"a siempre la modalidad *continua* porque las cantidades en +uego son mu! grandes. n tanto, la destilación del método *batc* se utili"a en la industria pequeña ! mediana -farmacéutica, alimenticia# de transistores, por citar unos pocos e+emplos-. omo puede apreciarse, el campo de uso de ambos tipos de destilación es mu! vasto, ! se la estudia porque sirve. l proce ceso so de des esti tila laci ció ón es fun fundame damen ntal tal en la elab elabor orac ació ión n de numer numeroso ososs produ producto ctoss indust industria riales les,, aunque aunque sin duda duda es la indust industria ria petroquímica, el área industrial en la cual el proceso de destilación adquiere una ma!or importancia. Las co Las colu lumn mnas as de dest destil ilac ació ión n util utili" i"ad adas as para para rea eali li"a "arr el proc proces eso, o, constitu!en un porcenta+e signi&cativo de la inversión que se reali"a en plantas químicas ! re&nerías de todo el mundo. l coste de operación de las columnas de destilación es a menudo, la parte más costosa de la ma!oría de los procesos industriales en los que interviene. /or ello, el
disponer de técnicas prácticas para modelar columnas de destilación más o menos realistas ! el desarrollar sistemas de controles e&caces ! &ables es mu! importante, a &n de conseguir, un funcionamiento e&ca" ! seguro de los sistemas de destilación industriales.
1.2. DEFINICIÓN: La destilación se de&ne como' Un proceso en el cual una mezcla de vapor o líquida de dos o más sustancias es separado en sus componentes de pureza deseada, por la aplicación o remoción de calor
La destilación está basada en el eco de que el vapor de una me"cla irviente es más rico en componentes de ba+o punto de ebullición n consecuencia, cuando el vapor es enfriado ! condensado, el condensado contendrá los componentes más volátiles. $l mismo tiempo, la me"cla original contendrá en más cantidad los componentes menos volátiles. Las columnas de destilación son diseñadas para alcan"ar esta separación de manera e&ciente. $unque muca gente tiene una idea aceptable de lo que signi&ca destilación1, a! aspectos importantes que merecen ser destacados' •
•
•
La destilación es la técnica de separación más com2n. onsume cantidades enormes de energía en requerimientos de calor ! enfriamiento. onstitu!en más del 304 de los costos de operación de planta
La me+or manera de reducir los costos de operación de las e%istentes unidades, es me+orar la e&ciencia ! operación mediante procesos de optimi"ación ! control. /ara alcan"ar esta me+ora, es esencial un conocimiento profundo de los principios de destilación ! como están diseñados los sistemas de destilación.
1.3. TIPOS DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN: (a! varios tipos de columnas de destilación, cada una diseñada para un determinado tipo de separación ! cada una di&ere de la otra en términos de comple+idad. 5na manera de clasi&car las columnas de destilación es observar como operan. /or tanto tenemos' •
•
olumnas batch olumnas continuas
La elección de uno u otro tipo de destilación depende a menudo de la clase de industria ! de la cantidad a procesar. uando se trata de destilar grandes vol2menes, las operaciones continuas son las más convenientes. n cambio, cuando las cantidades son más pequeñas, como es el caso en la industria alimenticia, alcoolera, farmacéutica, de
química &na 6aditiva, aromati"ante, o de las mu! especiali"adas, se pre&ere la destilación batch.
1.3.1. Columnas
batch
n una operación batch, la alimentación a la columna es introducida por lotes. sto es, la columna se carga con un lote ! es entonces cuando se lleva a cabo el proceso de destilación. uando el ob+etivo deseado es alcan"ado, se introduce el siguiente lote de alimentación.
1.3.2. Columnas contnuas n contraste con el tipo anterior de columnas, una columna continua recibe un 8u+o de alimentación continuo. No ocurren interrupciones a menos que se presenten problemas con la columna o en los alrededores de las unidades de proceso. 9on capaces de mane+ar grandes cantidades de material prima ! son las más comunes de los dos tipos. n el presente traba+o, solo será utili"ado este tipo de columnas Tipos de Columnas Continuas
Las columnas continuas pueden ser convenientemente clasi&cadas de acuerdo a' a
La naturale"a del 8u+o de alimentación que se está procesando' •
•
olumnas binarias ' el 8u+o de alimentación contiene solo dos componentes olumna multicomponente ' el 8u+o de alimentación contiene más de dos componentes
bl n2mero de 8u+os de productos que posea' •
olumna multiproducto' columna que tiene más de dos 8u+os de productos.
cLos dispositivos internos' •
•
olumna de platos ' donde platos de varios diseños son usados para mane+ar el líquido, de manera que se provee un me+or contacto líquido-vapor, ! por tanto una me+or separación olumna de relleno' donde en lugar de platos, se usan rellenos para acentuar el contacto líquido-vapor.
1.!. PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
Las columnas de destilación constan de varios componentes, cada uno es usado !a sea para transferir energía calorí&ca o transferir materia. 5na típica columna de destilación contiene los siguientes componentes 6entre paréntesis va la terminología en inglés' •
•
•
•
•
5n arma"ón vertical donde tiene lugar la separación de los componentes del líquido omponentes internos de la columna tales como platos 6 trays !:o empaquetaduras 6 packings que se usan para promover la separación de componentes 5n ebullidor 6reboiler que provee la vapori"ación necesaria para el proceso de destilación 5n condensador 6condenser que se usa para enfriar ! condensar el vapor saliente de la parte superior de la columna 5n tanque de re8u+o 6refu drum que mane+a el vapor condensado que viene de la parte superior de la columna de manera que el líquido 6re8u+o pueda ser recirculado a la columna
l arma"ón vertical alo+a los dispositivos internos ! +unto con el condensador ! el reervidor, constitu!en la columna de destilación. 5n esquema de una unidad de destilación típica de alimentación simple ! dos 8u+os de productos es mostrado aba+o'
!igura "#"# Columna de destilación y sus componentes
O"#$ac%n &'sca ( t#$mnolo)*a
La me"cla líquida que será procesada es conocida como 8u+o de alimentación ! este es introducido usualmente en un lugar cercano a la parte central de la columna en un plato conocido como plato de alimentación. l plato de alimentación divide la columna en dos secciones' una superior 6de enriquecimiento o recti&cación ! una inferior 6de empobrecimiento. l 8u+o de alimentación desciende en la columna donde es recogido en la parte superior en el reervidor.
!igura "#$# %arte in&erior de columna de destilación
9e suministra calor al ebullidor para generar vapor. La fuente de calor puede ser un 8u+o adecuado, aunque en la ma!oría de plantas químicas, éste es normalmente vapor. n re&nerías, la fuente de calor puede ser los 8u+os de salida de otras columnas. l vapor se eleva en el reervidor ! es reintroducido dentro de la unidad en la parte inferior de la columna. l líquido que se remueve del reervidor es conocido como producto de fondo o simplemente, fondo. l vapor se eleva en la columna, ! sale en la parte superior de la unidad, ! es enfriado por el condensador. l líquido condensado es almacenado en un contenedor conocido como tanque de re8u+o. $lgo de este líquido es devuelto a la parte superior de la columna ! es lo que se conoce como re8u+o. l liquido condensado que removido del sistema es conocido como destilado o producto de cabe"a.
!igura "#'# %arte superior de columna de destilación
1.+. PRINCIPIOS DE DESTILACIÓN La separación de componentes de una me"cla líquida mediante destilación depende de las diferencias de los puntos de ebullición de los componentes individuales. $demás, dependiendo de las concentraciones de los componentes presentes, la me"cla líquida tendrá diferentes características de su punto de ebullición. n consecuencia, el proceso de destilación depende de las características de presión de vapor de las me"clas líquidas.
1.+.1. P$#s%n ,# -a"o$ ( #&ullc%n La presión de vapor de un líquido a una temperatura particular es una presión de equilibrio e+ercida por las moléculas saliendo ! entrando a la super&cie del líquido. itemos algunos puntos importantes de la presión de vapor' La entrada de energía eleva la presión de vapor. La presión de vapor está relacionado con la ebullición. 5n líquido ierve cuando su presión de vapor iguala la presión circundante. La facilidad con que un líquido ierve depende de su volatilidad. Líquidos con altas presiones de vapor 6líquidos volátiles ebullirán a temperaturas inferiores. La presión de vapor ! por tanto el punto de ebullición de una me"cla líquida depende de las cantidades relativas de los componentes en la me"cla. ; La destilación ocurre a causa de las diferencias en la volatilidad de los componentes en la me"cla líquida. •
•
•
•
•
•
1.+.2. El ,a)$ama ,#l "unto ,# #&ullc%n l diagrama del punto de ebullición muestra como varían las composiciones de equilibrio de los componentes de una me"cla líquida con la temperatura a una presión determinada. onsidere como e+emplo de una me"cla líquida que contiene < componentes 6$ ! =, una me"cla binaria. ste tiene el diagrama de punto de ebullición que se muestra en la grá&ca
!igura "#(# )iagrama de punto de ebullición
l punto de ebullición de $ es el que corresponde cuando la fracción molar de $ es >. l punto de ebullición de = es el que corresponde cuando la fracción molar de $ es 0. n este e+emplo, $ es el componente más volátil ! por tanto tiene un punto de ebullición menor que el de =. La curva superior en el diagrama es llamada la curva del punto de rocío mientras que una es llamada la curva del punto de burbu+a. l punto de rocío es la temperatura al cual el vapor saturado. l punto de burbu+a es la temperatura al cual el líquido comien"a a ervir. La región arriba de la curva del punto de rocío muestra la composición de equilibrio del vapor sobrecalentado mientras la región deba+o de la curva del punto de burbu+a muestra la composición de equilibrio del líquido sub-enfriado. /or e+emplo, cuando un líquido sub-enfriado con fracción molar de $ ?0.@ 6punto $ es calentado, su concentración permanece constante asta alcan"ar el punto de burbu+a 6punto =, por lo que empie"a a ebullir. l vapor evoluciona durante la ebullición asta alcan"ar la composición de equilibrio dada por el punto , apro%imadamente donde la fracción molar de $ es 0.A. sto es apro%imadamente 304 más rico en $ que el líquido original. La diferencia entre las composiciones de líquido ! vapor es la base de las operaciones de destilación.
1.+.3. olatl,a, $#lat-a La volatilidad relativa es la medida de la diferencia de las volatilidades entre < componentes, ! por tanto de sus puntos de ebullición. Bndica cuan fácil o difícil puede resultar la separación. La volatilidad relativa del componente i con respecto al componente * está de&nido como'
c. 6>.> Conde' y i ?
fracción molar del componente i en
el vapor i ?
fracción molar del componente * en
el líquido Ce esta manera, si la volatilidad relativa entre dos componentes es bastante cercana a uno, indica que tienen características de presión de vapor bastante similares. sto signi&ca que tienen puntos de ebullición bastante similares ! por tanto, será difícil separar los dos componentes mediante destilación.
1.+.!. E/ul&$o L*/u,o0a"o$ Las columnas de destilación son diseñadas basadas en las propiedades del punto de ebullición de los componentes de las me"clas siendo separadas. /or tanto los tamaños, particularmente altos, de las columnas de destilación están determinados por la información equilibrio líquido-vapor 6LD de las me"clas. Curvas equilibrio líquido+vapor -./0
La información de LD a presión constante es obtenida de los diagramas de punto de ebullición. La información de me"clas binarias es frecuentemente presentada en una grá&ca. La grá&ca LD nos muestra el punto de burbu+a ! el punto de rocío de una me"cla binaria a presión constante La línea curva es llamada la línea de equilibrio, ! describe las composiciones de líquido ! vapor en equilibrio a una presión determinada.
!igura "#(# )iagrama de curva de equilibrio
La grá&ca LD anterior muestra una me"cla binaria que tiene un equilibrio líquido-vapor que es relativamente fácil de separar. Las grá&cas LD puestas aba+o, muestran sistemas no ideales que son de separación más difícil.
!igura "#1# )iagramas de curva de equilibrio de sistemas no ideales
Las curvas LD de forma más atípica son generadas por sistemas a"eotrópicos. 5n a"eotrópo es una me"cla líquida el cual cuando se vapori"a, el vapor tiene la misma composición del líquido. Las dos grá&cas puestas aba+o, muestran dos diferentes sistemas a"eotrópicos, uno con un punto de ebullición mínimo ! otro con un punto de ebullición má%imo. n ambas grá&cas, las curvas de equilibrio cru"an las líneas diagonales stos puntos de intersección se llaman puntos a"eotrópicos.
!igura "#2# )iagramas de curva de equilibrio de sistemas azeotrópicos
Note las formas de las respectivas líneas de equilibrio en relación en las líneas de equilibrio que intersectan las curvas LD. $mbas grá&cas son sin embargo, obtenidas de sistemas omogéneamente a"eotrópicos. 5n a"eotropo que contiene una fase líquida en contacto con el vapor es llamado a"eotropo omogéneo. 5n a"eotropo omogéneo no puede ser separado por destilación convencional. 9in embargo, destilación al vacío puede ser usada a presiones ba+as que pueden cambiar el punto a"eotrópico. $lternativamente, una sustancia adicional puede ser añadida para cambiar el punto a"eotrópico a una posición más favorable. •
•
uando este componente adicional aparece en cantidades apreciables en la parte más alta de la columna, la operación es llamada destilación a"eotrópica. uando los componentes adicionales aparecen en su ma!or parte en al parte más ba+a de la columna, la operación es llamada destilación e%tractiva.
La curva LD siguiente es generada también por un sistema a"eotrópico, en este caso un a"eotropo eterogéneo. Los a"eotropos eterogéneos pueden ser identi&cados por una porción plana en el diagrama de equilibrio.
!igura "#3# )iagrama de curva de equilibrio de un azeotropo heterog4neo
ste puede ser separado en dos columnas de destilación, dado que estas sustancias usualmente forman dos fases líquidas con composiciones marcadamente diferentes. Las fases pueden ser separadas usando tanques de asentamiento ba+o condiciones apropiadas.
1.. TIPOS DE DESTILACIÓN 1..1. DESTILACIÓN AL ACO n general la destilación se de&ne como la operación de separar, por transferencia de masa ! calor, las sustancias de una me"cla aprovecando la diferencia de volatilidades o puntos de ebullición. Esta depende de parámetros como el equilibrio liquido-vapor, temperatura, presión, composición, energía 6todos relacionados con las presiones de vapor de las sustancias. Cebido a que mucas sustancias, que se desean separar por destilación, no pueden calentarse ni siquiera a temperaturas pró%imas a sus puntos normales de ebullición 6a una atmósfera de presión, porque se descompondrían químicamente, o bien, otras sustancias con puntos de ebullición mu! elevados demandarían gran cantidad de energía para su destilación a la presión ordinaria, se emplea el método de destilación al vacío o a presión reducida. l cual consiste en reducir la presión de operación para obtener la ebullición a temperaturas ba+as, !a que un líquido empie"a a ervir cuando su presión de vapor iguala la presión de operación. 9e deben utili"ar torres empacadas para destilaciones a presiones absolutas del orden de 7 a F3 GN:m<, se pueden diseñar platos de capuca ! perforados con caídas de presión cercanas a F30 GN:m<, torres de aspersión para caídas de presión de 0.0>3 psi, ! columnas de aspersión agitadas mecánicamente ! las de paredes mo+adas para caídas de presión a2n más pequeñas.
La destilación al vacío se utili"a en productos naturales, como en la separación de vitaminas a partir de aceites animales ! de pescado, lo mismo que en la separación de mucos productos sintéticos industriales
6como plasti&cantes. 5n e+emplo usual sería la destilación al vacío como operación complementaria en la destilación del crudo 6petróleo, una ve" destilado a presión ordinaria.
1..2. DESTILACIÓN DESTRUCTIA uando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, ! esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva. Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas ! el amoníaco, ! la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona ! el metanol. ste 2ltimo proceso a sido ampliamente despla"ado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. l craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva.
La destilación destructiva o seca se utili"a para convertir materiales en bruto, por e+emplo, derivados de la madera, en productos químicos 2tiles. Los procesos típicos de destilación, como la desalini"ación, sólo llevan a cabo la separación física de los componentes. n cambio, la destilación destructiva es una transformación química# los productos &nales 6metanol, carbón de leña no pueden ser reconvertidos en madera.
1..3. DESTILACIÓN ETRACTIA La destilación e%tractiva es una técnica utili"ada para separar me"clas binarias a"eotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente, cu!a característica principal es que no presenta la formación de a"eótropos con ninguno de los componentes de la me"cla a separar. l solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la me"cla, por tal ra"ón debe tener ba+a volatilidad para asegurar su permanencia en la fase líquida, además, para garanti"ar el contacto con la me"cla a lo largo de toda la columna debe tener un punto de ebullición superior al de los componentes a separar ! se debe adicionar en una de las etapas cercanas al condensador, por encima de la etapa de me"cla a"eotrópica. La con&guración típica para un proceso de destilación e%tractiva es en la cual se separan metil cicloe%ano ! tolueno. stos dos componentes no forman un a"eotropo, pero su volatilidad relativa es menos que >,0> a ba+as composiciones de tolueno. La volatilidad relativa de metil cicloe%ano a tolueno es aumentada por la adición de un solvente. sto permite la separación de estos dos componentes en menores etapas que las requeridas en destilación simple l solvente elegido es menos volátil que cualquiera de los dos componentes !, en ra"ón a mantener una alta concentración de
solvente a lo largo de toda la columna, debe introducirse a la columna de destilación e%tractiva por encima del plato de alimentación.
)iagrama de fu*o simpli5cado para proceso de destilación etractiva para separar tolueno y metil cicloheano
1..!. DESTILACIÓN FRACCIONADA La destilación fraccionada es un proceso físico utili"ado para separar me"clas de líquidos mediante el calor, ! con un amplio intercambio calórico ! másico entre vapores ! líquidos. 9e emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Esta permite un ma!or contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utili"ación de diferentes *platos* 6placas. sto facilita el intercambio de calor entre los vapores 6que ceden ! los líquidos 6que reciben. se intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, ! los vapores de sustancias con ma!or punto de ebullición pasan al estado líquido. $lgunos de los e+emplos más comunes son el petróleo, ! la producción de etanol.
)iagrama de la destilación &raccionada del petróleo
)estilación de
etanol a nivel industrial#
)iagrama del proceso de destilación del etanol
1..+. DESTILACIÓN MOLECULAR CENTRFU4A 9i una columna larga que contiene una me"cla de gases se cierra erméticamente ! se coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. n una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuer"as que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces ma!ores que las de la gravedad, aciendo la separación más e&ca". /or e+emplo, la separación del e%a8uoruro de uranio gaseoso, 5HI, en moléculas que contienen dos isótopos diferentes del uranio, uranio
-quipo utilizado en la destilación molecular centri&uga .
1... DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE APOR s una técnica aplicada en la separación de sustancias poco solubles en agua. La destilación por arrastre de vapor se emplea para separar una sustancia de una me"cla que posee un punto de ebullición mu! alto ! que se descomponen al destilar. Ce otra manera, la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vapori"ación selectiva del componente volátil de una me"cla formada por éste ! otros *no volátiles*. Lo anterior se logra por medio de la in!ección de vapor de agua directamente en el seno de la me"cla, denominándose este *vapor de arrastre*, pero en realidad su función no es la de *arrastrar* el componente volátil, sino condensarse en el matra" formando otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la me"cla a destilar para lograr su evaporación. n este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación 6orgánica ! acuosa, por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. s decir, cada uno de ellos e+ercerá su propia presión de vapor ! corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia. Jambién se emplea para puri&car sustancias contaminadas por grandes cantidades de impure"as resinosas ! para separar disolventes de alto punto de ebullición de sólidos que no se arrastran. n >K>A (ausbrand publicó un diagrama de presión de vapor 2til para la destilación por arrastre. 9e gra&có /total - /(
parcial 6/ contra temperatura para diversos materiales a destilar 6curvas ascendentes. La intersección de la curva de agua con la del material a destilar nos proporciona la temperatura a la cual se dará la destilación por arrastre.
La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impure"a sean insolubles en agua !a que el producto destilado 6volátil formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto ! del agua fácilmente.
1..5. DESTILACIÓN POR CAM6IO DE PRESIÓN ste método de destilación puede ser usado para la separación de me"clas a"eotropicas ! se basa en el principio similar de la destilación al vacío, esto es debido a la manipulación de puntos de ebullición por el cambio de presión de la atmósfera a la cual una solución es e%puesta. 9i la alimentación continua es utili"ada, o las presiones requeridas de destilación son bastante grandes para garanti"ar el diseño especiali"ado, cada paso puede requerir una columna de separación. 9i sólo un lote es requerido la misma columna puede funcionar ba+o todas las presiones requeridas, esta columna alcan"a la presión con el vapor que se genera ! es vaciado después de la primera destilación, el primer destilado vuelve al inicio ! la destilación es controlada de nuevo en las segundas condiciones de presión, etcétera. La selección de cada componente del destilado debe cru"arse asta que pueda basarse en la energía requerida para evaporarlo de la solución de alimentación. La destilación por cambio de presión es empleada durante la puri&cación de acetato de etilo después de su síntesis catalítica del etanol.
Torres de destilación a nivel industrial#
