Destilación fraccionada

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La destilación fraccionada es la separación de una mezcla en sus partes componentes o fracciones . Los compuestos químicos se separan calentándolos a una temperatura a la que una o más fracciones de la mezcla se vaporizarán . Se utiliza la destilación para fraccionar . Generalmente, las partes componentes tienen puntos de ebullición que difieren entre sí en menos de 25 °C (45 °F) bajo una presión de una atmósfera . Si la diferencia en los puntos de ebullición es mayor de 25 °C, normalmente se utiliza una destilación simple .

Una unidad de destilación de petróleo crudo utiliza destilación fraccionada en el proceso de refinación de petróleo crudo.

La destilación fraccionada de sustancias orgánicas desempeñó un papel importante en las obras del siglo IX atribuidas al alquimista islámico Jabir ibn Hayyan , como por ejemplo en el Kitāb al-Sabʿīn ('El libro de los setenta'), traducido al latín por Gerardo de Cremona (c. 1114-1187) bajo el título Liber de septuaginta . ^[1] Los experimentos jabirianos con la destilación fraccionada de sustancias animales y vegetales, y en menor grado también de sustancias minerales, formaron el tema principal del De anima in arte alkimiae , una obra originalmente árabe falsamente atribuida a Avicena que fue traducida al latín y que luego formaría la fuente alquímica más importante para Roger Bacon ( c.  1220-1292 ). ^[2]

La destilación fraccionada en un laboratorio utiliza cristalería y aparatos de laboratorio comunes, que normalmente incluyen un mechero Bunsen , un matraz de fondo redondo y un condensador , además de la columna de fraccionamiento de un solo propósito .

Como ejemplo, considere la destilación de una mezcla de agua y etanol . El etanol hierve a 78,4 °C (173,1 °F) mientras que el agua hierve a 100 °C (212 °F). Por lo tanto, al calentar la mezcla, el componente más volátil (etanol) se concentrará en mayor grado en el vapor que sale del líquido. Algunas mezclas forman azeótropos , donde la mezcla hierve a una temperatura más baja que cualquiera de los componentes. En este ejemplo, una mezcla de 96% de etanol y 4% de agua hierve a 78,2 °C (172,8 °F); la mezcla es más volátil que el etanol puro. Por esta razón, el etanol no se puede purificar completamente mediante destilación fraccionada directa de mezclas de etanol y agua.

El aparato se ensambla como en el diagrama. (El diagrama representa un aparato discontinuo en oposición a un aparato continuo). La mezcla se coloca en el matraz de fondo redondo junto con algunos gránulos antigolpes (o una barra agitadora magnética revestida de teflón si se usa agitación magnética ) y la columna de fraccionamiento se coloca en la parte superior. La columna de destilación fraccionada se configura con la fuente de calor en la parte inferior del alambique. A medida que aumenta la distancia desde el alambique, se forma un gradiente de temperatura en la columna; es más frío en la parte superior y más caliente en la parte inferior. A medida que el vapor mezclado asciende por el gradiente de temperatura, parte del vapor se condensa y se vaporiza a lo largo del gradiente de temperatura . Cada vez que el vapor se condensa y se vaporiza, aumenta la composición del componente más volátil en el vapor. Esto destila el vapor a lo largo de la columna y, finalmente, el vapor se compone únicamente del componente más volátil (o un azeótropo). El vapor se condensa en las plataformas de vidrio, conocidas como bandejas , dentro de la columna, y vuelve a bajar al líquido que se encuentra debajo, destilando a reflujo . La eficiencia en términos de la cantidad de calentamiento y el tiempo requerido para obtener el fraccionamiento se puede mejorar aislando el exterior de la columna con un aislante como lana, papel de aluminio o, preferiblemente, una camisa de vacío. La bandeja más caliente está en la parte inferior y la más fría en la parte superior. En condiciones de estado estable, el vapor y el líquido en cada bandeja están en equilibrio . El componente más volátil de la mezcla sale como gas en la parte superior de la columna. El vapor en la parte superior de la columna luego pasa al condensador, que lo enfría hasta que se licúa. La separación es más pura con la adición de más bandejas (hasta una limitación práctica de calor, flujo, etc.). Inicialmente, el condensado estará cerca de la composición azeotrópica, pero cuando se haya extraído gran parte del etanol, el condensado se vuelve gradualmente más rico en agua. ^{[ cita requerida ]} El proceso continúa hasta que todo el etanol hierve y se evapora de la mezcla. Este punto se puede reconocer por el aumento brusco de la temperatura que muestra el termómetro .

La explicación anterior refleja la forma teórica en que funciona el fraccionamiento. Las columnas de fraccionamiento de laboratorio normales serán simples tubos de vidrio (a menudo encamisados ​​al vacío y, a veces, plateados internamente ) llenos de un relleno, a menudo pequeñas hélices de vidrio de 4 a 7 milímetros (0,16 a 0,28 pulgadas) de diámetro. Una columna de este tipo se puede calibrar mediante la destilación de un sistema de mezcla conocido para cuantificar la columna en términos de número de platos teóricos. Para mejorar el fraccionamiento, el aparato se configura para devolver el condensado a la columna mediante el uso de algún tipo de divisor de reflujo (alambre de reflujo, gago, balde magnético oscilante, etc.) - un fraccionamiento cuidadoso típico emplearía una relación de reflujo de alrededor de 4:1 (4 partes de condensado devuelto por 1 parte de condensado retirado).

En la destilación de laboratorio, se encuentran comúnmente varios tipos de condensadores. El condensador de Liebig es simplemente un tubo recto dentro de una camisa de agua y es la forma más simple (y relativamente menos costosa) de condensador. El condensador de Graham es un tubo espiral dentro de una camisa de agua, y el condensador de Allihn tiene una serie de constricciones grandes y pequeñas en el tubo interior, cada una de las cuales aumenta el área de superficie sobre la cual los componentes del vapor pueden condensarse.

En configuraciones alternativas se puede utilizar un matraz receptor de destilación de múltiples salidas (denominado "vaca" o "cerdo") para conectar tres o cuatro matraces receptores al condensador. Al girar la vaca o el cerdo, los destilados se pueden canalizar hacia cualquier receptor elegido. Debido a que no es necesario quitar y reemplazar el receptor durante el proceso de destilación, este tipo de aparato es útil cuando se destila bajo una atmósfera inerte para productos químicos sensibles al aire o a presión reducida. Un triángulo de Perkin es un aparato alternativo que se utiliza a menudo en estas situaciones porque permite aislar el receptor del resto del sistema, pero requiere quitar y volver a colocar un solo receptor para cada fracción.

Los sistemas de destilación al vacío funcionan a presión reducida, lo que reduce los puntos de ebullición de los materiales. Sin embargo, los gránulos antigolpes resultan ineficaces a presiones reducidas.

La destilación fraccionada es la forma más común de tecnología de separación utilizada en refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y químicas , procesamiento de gas natural y plantas criogénicas de separación de aire . ^{[3] [4]} En la mayoría de los casos, la destilación se opera en un estado estable continuo . Siempre se agrega nueva alimentación a la columna de destilación y siempre se eliminan productos. A menos que el proceso se altere debido a cambios en la alimentación, el calor, la temperatura ambiente o la condensación, la cantidad de alimentación que se agrega y la cantidad de producto que se elimina normalmente son iguales. Esto se conoce como destilación fraccionada continua en estado estable.

La destilación industrial se realiza normalmente en grandes columnas cilíndricas verticales conocidas como "torres de destilación o fraccionamiento" o "columnas de destilación" con diámetros que van desde aproximadamente 0,65 a 6 metros (2 a 20 pies) y alturas que van desde aproximadamente 6 a 60 metros (20 a 197 pies) o más. Las torres de destilación tienen salidas de líquido a intervalos a lo largo de la columna que permiten la extracción de diferentes fracciones o productos que tienen diferentes puntos de ebullición o rangos de ebullición. Al aumentar la temperatura del producto dentro de las columnas, los diferentes productos se separan. Los productos "más ligeros" (aquellos con el punto de ebullición más bajo) salen por la parte superior de las columnas y los productos "más pesados" (aquellos con el punto de ebullición más alto) salen por la parte inferior de la columna.

Por ejemplo, la destilación fraccionada se utiliza en las refinerías de petróleo para separar el petróleo crudo en sustancias útiles (o fracciones) que tienen diferentes hidrocarburos con distintos puntos de ebullición. Las fracciones de petróleo crudo con puntos de ebullición más altos:

• tienen más átomos de carbono
• tienen pesos moleculares más altos
• son alcanos de cadena menos ramificada
• son de color más oscuro
• son más viscosos
• Son más difíciles de encender y quemar.

Las torres industriales a gran escala utilizan el reflujo para lograr una separación más completa de los productos. ^[5] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido de cabeza condensado de una torre de destilación o fraccionamiento que se devuelve a la parte superior de la torre como se muestra en el diagrama esquemático de una torre de destilación industrial típica a gran escala . Dentro de la torre, el líquido de reflujo que fluye hacia abajo proporciona el enfriamiento necesario para condensar los vapores que fluyen hacia arriba, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo se proporciona para un número dado de platos teóricos , mejor es la separación de la torre de los materiales de menor punto de ebullición de los materiales de mayor punto de ebullición. Alternativamente, cuanto más reflujo se proporciona para una separación deseada dada, menos platos teóricos se requieren.

La destilación fraccionada también se utiliza en la separación de aire, produciendo oxígeno líquido , nitrógeno líquido y argón altamente concentrado . La destilación de clorosilanos también permite la producción de silicio de alta pureza para su uso como semiconductor .

En usos industriales, a veces se utiliza un material de relleno en la columna en lugar de bandejas, especialmente cuando se requieren bajas caídas de presión a través de la columna, como cuando se opera al vacío. Este material de relleno puede ser un relleno vertido al azar (1–3 in (25–76 mm) de ancho) como anillos Raschig o chapa metálica estructurada . Los fabricantes típicos son Koch, Sulzer y otras empresas. Los líquidos tienden a humedecer la superficie del relleno y los vapores pasan a través de esta superficie humedecida, donde tiene lugar la transferencia de masa . A diferencia de la destilación de bandejas convencional en la que cada bandeja representa un punto separado de equilibrio vapor-líquido, la curva de equilibrio vapor-líquido en una columna empaquetada es continua. Sin embargo, al modelar columnas empaquetadas es útil calcular varios "platos teóricos" para indicar la eficiencia de separación de la columna empaquetada en relación con las bandejas más tradicionales. Los empaques de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y porosidad . Ambos factores afectan el rendimiento del empaque.

El diseño y el funcionamiento de una columna de destilación dependen de la alimentación y de los productos deseados. Dada una alimentación de componentes binaria simple, se pueden utilizar métodos analíticos como el método McCabe-Thiele ^{[4] [6] [7]} o la ecuación de Fenske ^[4] . Para una alimentación de múltiples componentes, se utilizan modelos de simulación tanto para el diseño como para el funcionamiento.

Además, la eficiencia de los dispositivos de contacto vapor-líquido (denominados platos o bandejas ) utilizados en las columnas de destilación suele ser inferior a la de una etapa de equilibrio teóricamente eficiente al 100 % . Por lo tanto, una columna de destilación necesita más platos que el número de etapas de equilibrio vapor-líquido teóricas.

El reflujo se refiere a la porción del producto de cabeza condensado que se devuelve a la torre. El reflujo que fluye hacia abajo proporciona el enfriamiento necesario para condensar los vapores que fluyen hacia arriba. La relación de reflujo, que es la relación entre el reflujo (interno) y el producto de cabeza, está relacionada inversamente con el número teórico de etapas necesarias para una separación eficiente de los productos de destilación. Las torres o columnas de destilación fraccionada están diseñadas para lograr la separación requerida de manera eficiente. El diseño de las columnas de fraccionamiento normalmente se realiza en dos pasos: un diseño de proceso, seguido de un diseño mecánico. El propósito del diseño de proceso es calcular el número de etapas teóricas requeridas y los flujos de corriente, incluyendo la relación de reflujo, el reflujo de calor y otras tareas de calor. El propósito del diseño mecánico, por otro lado, es seleccionar los componentes internos de la torre, el diámetro de la columna y la altura. En la mayoría de los casos, el diseño mecánico de las torres de fraccionamiento no es sencillo. Para la selección eficiente de los componentes internos de la torre y el cálculo preciso de la altura y el diámetro de la columna, se deben tener en cuenta muchos factores. Algunos de los factores que intervienen en los cálculos de diseño incluyen el tamaño y las propiedades de la carga de alimentación y el tipo de columna de destilación utilizada.

Los dos tipos principales de columnas de destilación que se utilizan son las columnas de bandejas y las columnas de relleno. Las columnas de relleno se utilizan normalmente para torres más pequeñas y cargas que son corrosivas o sensibles a la temperatura o para servicio de vacío donde la caída de presión es importante. Las columnas de bandejas, por otro lado, se utilizan para columnas más grandes con altas cargas de líquido. Aparecieron por primera vez en la década de 1820. En la mayoría de las operaciones de refinería de petróleo, las columnas de bandejas se utilizan principalmente para la separación de fracciones de petróleo en diferentes etapas de refinación de petróleo.

En la industria de refinación de petróleo, el diseño y el funcionamiento de las torres de fraccionamiento todavía se realizan en gran medida sobre una base empírica. Los cálculos involucrados en el diseño de columnas de fraccionamiento de petróleo requieren en la práctica habitual el uso de gráficos numerables, tablas y ecuaciones empíricas complejas. Sin embargo, en los últimos años se ha realizado una cantidad considerable de trabajo para desarrollar procedimientos de diseño asistidos por computadora eficientes y confiables para la destilación fraccionada. ^[8]

• Destilación azeotrópica
• Destilación por lotes
• Destilación extractiva
• Destilación por congelación
• Destilación por vapor