UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y SISTEMAS
INFORME DE LA OPERACIÓN UNITARIA: DESTILACION
Integrantes :
ARAMAYO GARCIA, CESAR GABRIEL CORDOVA RODRIGUEZ, JORGE ALBERTO ESTRADA MOSCOSO, PAUL HERNANDO
Curso:
FISICOQUÍMICA Y OPERACIONES UNITARIAS.
Fecha: 11/07/2011
OBJETIVOS
•
El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles.
•
Nuestro objetivo en grupo es conceptualizar la destilación, a través de la información teórica que presentamos y además de la parte experimental con su respectivo análisis.
•
Comprender el funcionamiento del equipo de destilación por lotes.
•
Conocer las aplicaciones industriales de esta operación unitaria.
•
Observar el comportamiento de las variables que intervienen en esta operación; durante el inicio del proceso hasta el estado de equilibrio.
•
Establecer la línea y etapa optima de alimentación para la correcta ejecución de esta operación.
•
Analizar el efecto de la condición de la alimentación sobre las velocidades de flujo.
OBJETIVOS
•
El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles.
•
Nuestro objetivo en grupo es conceptualizar la destilación, a través de la información teórica que presentamos y además de la parte experimental con su respectivo análisis.
•
Comprender el funcionamiento del equipo de destilación por lotes.
•
Conocer las aplicaciones industriales de esta operación unitaria.
•
Observar el comportamiento de las variables que intervienen en esta operación; durante el inicio del proceso hasta el estado de equilibrio.
•
Establecer la línea y etapa optima de alimentación para la correcta ejecución de esta operación.
•
Analizar el efecto de la condición de la alimentación sobre las velocidades de flujo.
INTRODUCCIÓN La operación unitaria de destilación es una de las más empleadas en la industria alimentaria, farmacéutica y perfumera, para la separación de los componentes que forman mezclas líquidas miscibles. La destilación es una operación unitaria de transferencia de masa, tal como la absorción o la cristalización. De acuerdo con el diccionario (Valiente, 1990) la destilación es la operación cuyo fin es la separación de dos o más líquidos miscibles mediante la ebullición. Los vapores obtenidos se recuperan como producto deseable y se condensan. Los vapores condensados son más ricos en el líquido o líquidos más volátiles, mientras que los fondos, o líquidos remanentes, son más ricos en las sustancias menos volátiles. Esta operación recibe también los nombres de alambicación, refinación, agotamiento, fraccionamiento y rectificación. El aislamiento y purificación de compuestos orgánicos son operaciones básicas químicas reflejadas en la destilación, extracción, recristalización, absorción, cromatografía, etc. Que en cada caso aprovecha las propiedades fisicoquímicas de compuestos orgánicos, involucrados en estos procesos, entre estas propiedades podemos citar: Puntos de ebullición. Polaridad. Puntos de fusión. Solubilidad. Miscibilidad. Acá estudiamos la operación básica de aislamiento y purificación llamada destilación. El proceso de la destilación fue inventado por los alquimistas egipcios, pero fueron los alquimistas griegos quienes en el siglo primero de nuestra era, inventaron el alambique (destilador).
DESCRIPCION DE LA OPERACIÓN Los procesos de separación alcanzan sus objetivos mediante la creación de dos o más zonas que coexisten y que tienen diferencias de temperatura, presión, composición y fase.Cada especie molecular de la mezcla que se vaya a separar reaccionará de modo único antelos diversos ambientes presentes en esas zonas. En consecuencia, cada especie estableceráuna concentración diferente en cada zona y esto da como resultado una separación entre lasespecies.El proceso de separación denominado Destilación utiliza fases de vapor y liquido, a lamisma temperatura y presión, para las zonas coexistentes, en la cual se utilizan varios tipos dedispositivos para cuyo proceso.La destilación puede efectuarse de acuerdo a dos métodos: El primer método se basa en la producción de vapor mediante la ebullición de lamezcla líquida que se desea separar y condensación de los vapores sin permitir que ellíquido retorne al calderín. Es decir, no hay reflujo. El segundo método se basa en el retorno de una parte del condensado a la columna,en unas condiciones tales que el líquido que retorna se pone en íntimo contacto con losvapores que ascienden hacia el condensador. Cualquiera de los dos métodos puederealizarse de forma continua o por cargas.
VARIABLES Y FACTORES EN LA OPERACIÓN Los factores que determinan la operación de separación en una columna de rectificación discontinua son: -
Altura / número de pisos de la columna Razón de reflujo externa Composición y cantidad de carga inicial Método de contacto entre las fases Presión en cada etapa de equilibrio Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de alimentación Concentración de componente clave pesado en destilado Concentración de componente clave liviano en producto de fondo Presión en el condensador Presión en el rehervidor Razón de reflujo
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EN EL LABORATORIO
El proceso de separación denominado destilación utiliza fases de vapor y liquido, esencialmente a la misma temperatura y presión en las zonas en las que estas coexisten. Se utilizan varios tipos de dispositivos, como por ejemplo el relleno aleatorio u ordenado y las bandejas de platos, para que dos fases entren en contacto intimo. Los platos se colocan unos sobre otros y se encierran en una carcasa metálica para formar una columna. El relleno también está contenido dentro de una carcasa cilíndrica, entre los platos de apoyo y soporte, a continuación se muestra una columna característica de destilación del tipo de platos, junto con los principales accesorios externos. La alimentación, que se debe separa en fracciones, se introduce en uno o más puntos a lo largo de la estructura de la columna. Debido a la acción diferente de la fuerza de la gravedad entre la fase de vapor y la liquida, el liquido fluye 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 líquido que llega al fondo de la columna se vaporiza parcialmente en un calderín que genera vapor recalentado que asciende por la columna. El resto de líquido se retira como producto de 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 líquido regresa a la columna como reflujo, para proporcionar un caudal liquido. El resto de la corriente superior se retira como producto destilado o producto de cabeza. En algunos casos, solo una parte del vapor se condensa de manera que se puede extraer un destilado como vapor. Este tipo de flujo en una columna proporciona un contacto en contracorriente liquidovapor, en todos los platos de la columna. Las fases vapor y liquida en un plato dado se acercan a los equilibrios de temperatura, presión y composición, hasta un punto que depende de la eficiencia del plato de contacto.
Los componentes mas ligeros (de punto de ebullición mas bajo) tienden a concentrarse en la fase vapor, mientras que los mas pesados (de punto de ebullición mas alto) tienden a la fase liquida. El resultado es una fase vapor que se hace mas rica en componentes pesados conforme desciende en cascada. La separación global que se logra entre el producto superior y el del fondo depende primordialmente de las volatilidades relativas de los componentes, numero de platos de contacto y de 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 columna, la columna se dividirá en una sección superior, que se denomina con frecuencia sección de rectificación, y otra inferior, que suele recibir el nombre de sección de agotamiento. Estos términos se vuelven bastante indefinidos en columnas con alimentaciones múltiples (que no es nuestro caso) y 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 (que tampoco es nuestro caso).
Ventajas y desventajas.
VENTAJAS: En muchos casos la separación de la mezcla es rápida. La destilación es muchas veces el único método de separación de ciertas mezclas, y cuando es posible, se alcanza una eficacia muy alta. Puede separar mezclas muy complejas. No es necesaria la adición de otro componente como es el caso de la absorción o desorción. Los productos que se obtienen son relativamente puros.
DESVENTAJAS: La destilación no es recomendable para algunas mezclas de componentes que no tengan los puntos de ebullición muy cerca. Por otro lado, ciertas mezclas no se pueden calentar porque sufrirían un proceso de descomposición: en la industria alimentaria no se utiliza la destilación: Tampoco se separarán perfectamente los componentes si forman una mezcla azeotrópica. En algunos casos los costos son altos para alcanzar la energía necesaria para la evaporación. No es recomendable trabajar con sustancias que sean fácilmente reactivas o corrosivas.
Tipos.
1. Destilación Simple Descripción: La destilación es una operación utilizada con el fin de purificar y aislar líquidos orgánicos generalmente. Ésta aprovecha las volatilidades y puntos de ebullición de los componentes líquidos a separar. En este tipo de destilación los vapores producidos
son
inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los refresca y condensa de modo que el destilado no resulta puro. Su composición será idéntica a la composición de los vapores a la presión y temperatura dados y pueden ser computados por la ley de Raoult. La destilación simple consiste en la separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida cuyos puntos de ebullición difieren entre sí en un rango suficientemente marcado (al menos 25°C) y deben ser inferiores a 150°C. El líquido a destilar se coloca en un matraz, para después, mediante la adición de calor, impulsar la vaporización. Una vez establecido el equilibrio líquido-vapor, parte del vapor se condensa en las paredes del matraz, pero el resto (mayoría) pasa por la salida lateral, para posteriormente condensarse por efecto del enfriamiento ocasionado por agua fría que circula por un tubo refrigerante que forma parte del equipo en esta operación. Al producto se le conoce como destilado, mientras la porción que queda dentro del matraz se denomina residuo. Con la finalidad de evitar el sobrecalentamiento de los líquidos y ocasionar la posible desnaturalización de compuestos de interés en la solución, es importante adicionar núcleos de ebullición, que son partículas físicas, inertes (generalmente perlas de vidrio), utilizadas para fomentar la homogeneidad de la mezcla y mantener constante el ritmo de destilación. Aplicaciones: Se emplea en la industria del vino, también encontramos ejemplos típicos en los que se aplica este tipo de destilación: El sistema Butanol-Etanol y el sistema Agua-Metanol.
2. Destilación Fraccionada Descripción:La destilación fraccionada es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con punto de ebullición cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado para separar mezclas de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. Aplicaciones: Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y la producción de etanol. Imagen. Columna de destilación fraccionada.
3. Destilación al Vacío Descripción:En general la destilación se define como la operación de separar, por transferencia de
masa y calor, las sustancias de una mezcla aprovechando la diferencia de volatilidades o puntos de ebullición. Ésta depende de parámetros como el equilibrio liquido-vapor, temperatura, presión, composición, energía (todos relacionados con las presiones de vapor de las sustancias). Debido a que muchas sustancias, que se desean separar por destilación, no pueden calentarse ni siquiera a temperaturas próximas a sus puntos normales de ebullición (a una atmósfera de presión), porque se descompondrían químicamente, o bien, otras sustancias con puntos de ebullición muy 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. El cual consiste en reducir la presión de operación para obtener la ebullición a temperaturas bajas, ya que un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor iguala la presión de operación. Se deben utilizar torres empacadas para destilaciones a presiones absolutas del orden de 7 a 35 KN/m2, se pueden diseñar platos de capucha y perforados con caídas de presión cercanas a 350 KN/m2, torres de aspersión para caídas de presión de 0.015 psi, y columnas de aspersión agitadas mecánicamente y las de paredes mojadas para caídas de presión aún más pequeñas. Aplicaciones: La destilación al
vacío se utiliza en productos naturales, como en la separación de vitaminas a partir de aceites animales y de pescado, lo mismo que en la separación de muchos productos sintéticos industriales (como plastificantes). Un
ejemplo
destilación
usual al
sería
vacío
la
como
operación complementaria en la destilación del crudo (petróleo), una vez destilado a presión ordinaria. Ésta destilación, es la operación complementaria de destilación del crudo procesado en la unidad de destilación atmosférica, que no se vaporiza y sale por la parte inferior de la columna de destilación atmosférica. El vaporizado de todo el crudo a la presión atmosférica necesitaría elevar la temperatura por encima del umbral de descomposición química y eso, en esta fase del refino de petróleo, es indeseable. El residuo atmosférico o crudo reducido procedente del fondo de la columna de destilación atmosférica, se bombea a la unidad de destilación a vacío, se calienta generalmente en un horno a una temperatura inferior a los 400 °C, similar a la temperatura que se alcanza en la fase de destilación atmosférica, y se introduce en la columna de destilación. Esta columna trabaja a vacío, con una presión absoluta de unos 20 mm deHg, por lo que se vuelve a producir una vaporización de productos por efecto de la disminución de la presión, pudiendo extraerle más productos ligeros sin descomponer su estructura molecular.
En la unidad de vacío se obtienen solo tres tipos de productos:
Gas Oil Ligero de vacío (GOL).
Gas Oil Pesado de vacío (GOP).
Residuo de vacío.
El producto del fondo, residuo de vacío, se utiliza principalmente para alimentar a unidades de craqueo térmico, donde se vuelven a producir más productos ligeros y el fondo se dedica a producir fuel oil, o para alimentar a la unidad de producción de coque. Dependiendo de la naturaleza del crudo el residuo de vacmelisa y melipino.
4. Destilación azeotrópica Descripción: La destilación azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper una mezcla azeotrópica en la destilación. Una mezcla azeotrópica es aquella mezcla líquida de dos o más componentes que poseen una temperatura de ebullición constante y fija, ésta se forma debido a que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, es decir como si fuese un solo componente, esto se verifica en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido. El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo positivo y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo negativo. La mayoría de azeótropos son del tipo negativo. Una de las destilaciones azeotrópicas más comunes es la mezcla etanol-agua. Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede purificarse a aproximadamente el 95%. Cuando se alcanza esta concentración, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, por lo tanto destilar de nuevo no es efectivo. Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe romperse para lograr una mayor concentración. En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por ejemplo, la adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeótropo. La desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno. Otro método, la variación de presión en la destilación, se basa en el hecho de que un azeótropo depende de la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo se salta, la destilación puede continuar. Para saltar el azeótropo, el punto del azeótropo puede moverse cambiando la presión. Comúnmente, la presión se fija de forma tal que el azeótropo quede cerca del 100% de
concentración, para el caso del etanol, éste se puede ubicar en el 97%. El etanol puede destilarse entonces hasta el 97%. Actualmente se destila a un poco menos del 95,5%. El alcohol al 95,5% se envía a una columna de destilación que está a una presión diferente, se lleva el azeótropo a una concentración menor, tal vez al 93%. Ya que la mezcla está por encima de la concentración azeotrópica actual, la destilación no se “pegará” en este punto y el etanol se podrá destilar a
cualquier concentración necesaria. Para lograr la concentración requerida para que el etanol sirva como aditivo de la gasolina normalmente se usan tamices moleculares en la concentración azeotrópica. El etanol se destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del 95% de concentración, que permite destilaciones posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede reutilizarse. Aplicaciones:En los grandes complejos petroquímicos, la destilación azeotrópica es utilizada desde decenios, siendo todavía el procedimiento más actual en el tratamiento de disolventes termolábiles no miscibles con agua e impurificados con contaminantes líquidos.
5. Destilación por arrastre de vapor Descripción:Es 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 mezcla que posee un
punto
de
ebullición
muy
alto
y
que
se
descomponen
al
destilar.
En la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla, denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la de "arrastrar" el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia. Se emplea para purificar sustancias contaminadas por grandes cantidades de impurezas resinosas y para separar disolventes de alto punto de ebullición de sólidos que no se arrastran.
La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado volátil formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente. Como se mencionó anteriormente, la presión total del sistema será la suma de las presiones de vapor de los componentes de la mezcla orgánica y del agua, sin embargo, si la mezcla a destilar es un hidrocarburo con algún aceite, la presión de vapor del aceite al ser muy pequeña se considera despreciable a efectos del cálculo. Por otra parte, el punto de ebullición de cualquier sistema se alcanza a la temperatura a la cual la presión total del sistema es igual a la presión del confinamiento. Y como los dos líquidos juntos alcanzan una presión dada, más rápidamente que cualquiera de ellos solos, la mezcla hervirá a una temperatura más baja que cualquiera de los componentes puros. En la destilación por arrastre es posible utilizar gas inerte para el arrastre. Sin embargo, el empleo de vapores o gases diferentes al agua implica problemas adicionales en la condensación y recuperación del destilado o gas. El comportamiento que tendrá la temperatura a lo largo de la destilación será constante, ya que no existen cambios en la presión de vapor o en la composición de los vapores de la mezcla, es decir que el punto de ebullición permanecerá constante mientras ambos líquidos estén presentes en la fase líquida. En el momento que uno de los líquidos se elimine por la propia ebullición de la mezcla, la temperatura ascenderá bruscamente. Es necesario establecer que existe una gran diferencia entre una destilación por arrastre y una simple, ya que en la primera no se presenta un equilibrio de fases líquido-vapor entre los dos componentes a destilar como se da en la destilación simple, por lo tanto no es posible realizar diagramas de equilibrio ya que en el vapor nunca estará presente el componente "no volátil" mientras esté destilando el volátil. Además de que en la destilación por arrastre de vapor el destilado obtenido será puro en relación al componente no volátil (aunque requiera de un decantación para ser separado del agua), algo que no sucede en la destilación simple donde el destilado sigue presentando ambos componentes aunque más enriquecido en alguno de ellos. Además si este tipo de mezclas con aceites de alto peso molecular fueran destiladas sin la adición del vapor se requeriría de gran cantidad de energía para calentarla y emplearía mayor tiempo, pudiéndose descomponer si se trata de un aceite esencial. Aplicaciones:La destilación por arrastre con vapor seemplea con frecuencia para separar aceitesesenciales de tejidos vegetales. Los aceites esenciales son productos naturales aplicados endiferentes industrias: Industria cosmética y farmacéutica: perfumes, principios activos, etc.
Industria de alimentos y derivadas: potenciadores del sabor para todo tipo de bebidas, helados, galletas, golosinas, productos lácteos, etc. Industria
de
productos
de
limpieza:
fragancias para
jabones,
detergentes,
desinfectantes, productos de uso hospitalario, etc. Industria de plaguicidas: agentes pulverizantes, atrayentes y repelentes deinsectos, etc. Otras nuevas aplicaciones surgidasúltimamente y con un gran potencial futuroson de ingredientes de para la formulación de biocidas para uso veterinario o agrícola.
6. Destilación Destructiva Descripción:Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva. La destilación destructiva o seca se utiliza para convertir materiales en bruto, por ejemplo, derivados de la madera, en productos químicos útiles. Los procesos típicos de destilación, como la desalinización, sólo llevan a cabo la separación física de los componentes. En cambio, la destilación destructiva es una transformación química; los productos finales (metanol, carbón de leña) no pueden ser reconvertidos en madera. Aplicaciones:Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva.
7. Destilación Extractiva
Descripción: La destilación extractiva es una técnica utilizada para separar mezclas binarias azeotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente, cuya característica principal es que no presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar. El solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla, por tal razón debe tener baja volatilidad para asegurar su permanencia en la fase líquida, además, para garantizar el contacto con la mezcla a lo largo de toda la columna debe tener un punto de ebullición superior al de los componentes a separar y se debe adicionar en una de las etapas cercanas al condensador, por encima de la etapa de mezcla azeotrópica. Aplicaciones:Un ejemplo típico es la separación demetilciclohexano y tolueno. Estos dos componentes no forman un azeótropo, pero su volatilidad relativa es menos que 1,01 a bajas composiciones de tolueno. La volatilidad relativa de metilciclohexano a tolueno es aumentada por la adición de un solvente. Esto permite la separación de estos dos componentes en menores etapas que las requeridas en destilación simple El solvente elegido es menos volátil que cualquiera de los dos componentes y, en razón a mantener una alta concentración de solvente a lo largo de toda la columna, debe introducirse a la columna de destilación extractiva por encima del plato de alimentación.
8. Destilación Molecular Centrífuga
Descripción:Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y se coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz. Por ejemplo, la separación del hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en moléculas que contienen dos isótopos diferentes del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por medio de la destilación molecular centrífuga.
Aplicaciones:La
destilación
molecular
centrifuga es una técnica de depuración que tiene una amplia utilización en la industria química,
procesamiento
de
alimentos,
productos farmacéuticos y las industrias del petróleo, así como la industria de productos químicos especiales.
9. Destilación por Cambio de Presión (Pressure Swing Distillation)
Descripción:Este método de destilación puede ser usado para la separación de mezclas azeotrópicas y 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 expuesta. Puede ser usada sobre la destilación pura al vacío de un azeótropo si aquella solución, por ejemplo, tuviera un punto de licuefacción tan bajo en la presión requerida para romper el azeótropo que el equipo es incapaz de proveerlo, permitiendo al producto fluir por la corriente externa del condensador en una fuente de vacío. Aquí, en lugar de manipular solamente un punto de ebullición, uno o más son cambiados, uno tras otro; con el número de cambios de presión está determinado por el número de componentes en la solución de alimentación que se consideran contaminantes. Esto podría ser beneficioso para una purificación ya que es probable crear menos exigencias térmicas. Simplemente, en vez del cambio de presión por destilación en una sola dirección en un intento de romper el azeótropo en un solo paso, la ruptura es llevada a cabo en dos o más pasos con el cambio de la presión en dos direcciones para crear una línea de operaciones centrada alrededor de temperaturas más accesibles; quizás lleno de una presión negativa a la atmosférica o a una presión positiva. En esencia, la destilación por cambio de presión es un intento por reducir la extrema dispersión de las condiciones de la manipulación de carga a través de los equipos de generación de la destilación medio ambiente. Si la alimentación continua es utilizada, o las presiones requeridas de destilación son bastante grandes para garantizar el diseño especializado, cada paso puede requerir una columna de separación. Si sólo un lote es requerido la misma columna puede funcionar bajo todas las presiones requeridas, esta columna alcanza la presión con el vapor que se genera y es vaciado después de la primera destilación, el primer destilado vuelve al inicio y la destilación es controlada de nuevo en las segundas condiciones de presión, etcétera.
La selección de cada componente del destilado debe cruzarse hasta que pueda basarse en la energía requerida para evaporarlo de la solución de alimentación. Aplicaciones:La destilación por cambio de presión es empleada durante la purificación de acetato de etilo después de su síntesis catalítica del etanol.
10. Destilación por Congelación
Descripción:La destilación por congelación es un interesante proceso, pues pudiera considerarse contraria a lo que se conoce como destilación, no en cuanto a sus resultados, sino en cuanto a su proceso, mientras que la destilación "común" basa su principio de separación en las diferencias de los puntos de ebullición de los componentes, la destilación por congelación opera por l a diferencia en los puntos de congelación, dicho de otra manera, las fases pueden separarse gracias que una (o varias) de ellas, se encuentra en estado sólido. Aplicaciones: Se emplea en la preparación de cierto tipo de cervezas u otros licores.
11. Destilación por Lotes o Batch Descripción: En las destilaciones por lotes, llamadas también batch, se carga al equipo una determinada cantidad de la mezcla de interés para que, durante la operación, uno o más compuestos se vayan separando de la mezcla original. Un ejemplo común corresponde a las destilaciones que ocurren en los laboratorios, donde el líquido es vaciado en un recipiente y calentado hasta hervir. El vapor formado se retira continuamente por condensación, que corresponde al compuesto más volátil. En las separaciones por lotes no hay estado estable y la composición de la carga inicial cambia con el tiempo. Esto trae consigo un incremento en la temperatura del recipiente y decremento en la cantidad de los componentes menos volátiles a medida que avanza la destilación. La destilación por lotes se utiliza en los siguientes casos: I. Cuando la capacidad requerida es tan pequeña que no permite una operación continúa a una velocidad práctica. Las bombas, boiler, tuberías y equipos de instrumentación generalmente tienen una capacidad mínima de operación industrial. II. Los requerimientos de operación fluctúan mucho con las características del material alimentado y con la velocidad de procesamiento. El equipo para operación por lotes generalmente tiene mayor flexibilidad de operación que los que operan en forma
continua. Esta es la razón por la cual predomina el equipo de operación por lotes en plantas piloto. III. La destilación intermitente se utiliza también cuando la mezcla a separar tiene un alto contenido de sólidos. El uso de una unidad por lotes puede mantener a los sólidos separados y permitir que se remuevan fácilmente al final del proceso. Aplicaciones: Se emplea cuando lo que se desea destilar es bastante especializado o se presenta en cantidades muy pequeñas, como es el caso de la industria alimenticia, alcoholera, farmacéutica o de química fina (aditivos, aromatizantes). 12. Destilación por Membranas Descripción: Ésta es una técnica por membranas que involucra transporte de vapor de agua a través de los poros de una membrana hidrofóbica (que es repelida por el agua o que no se puede mezclar con ella) debido a la fuerza que ejerce la presión de vapor provista por la temperatura y/o la diferencia de concentración del soluto a través de la membrana. En este método, las superficies de las membranas están en contacto directo con dos fases líquidas, una solución caliente y una fría. Como ha sido entendido, hay una diferencia de temperaturas pero el equilibrio térmico está bien establecido. Este método está basado en un flujo a contracorriente de un fluido con diferentes temperaturas. La corriente de entrada de agua de mar fría fluye a través de un condensador de paredes no permeables. Este sistema trabaja con un par de tubos, un condensador y un evaporador. Estos tubos están separados por un hueco de aire. La pared del evaporador está hecha de una membrana hidrofóbica. Las membranas recomendadas son aquellas con un 60 -80% de porosidad y un tamaño de poro de 0.1-0.5x10-6 m. El vapor de agua puro pasa a través de las membranas, mientras los sólidos(sales, minerales, etc.) se quedan del otro lado de la membrana. Como fue mencionado, la diferencia de temperaturas de los fluidos, generan una diferencia de presión de vapor, la cual, obliga al vapor para que pase a través de los poros de la membrana del tubo del evaporador y este se condensa en el hueco de aire, de esta forma el calor es parcialmente recuperado. Las membranas son las películas finas de material poroso que se pueden utilizar para varias separaciones químicas. Aunque muchas membranas se hacen de las películas del polímero, también pueden estar hechas de cerámica, de fibra de carbón, y de sustratos metálicos con poros. Los poros pueden medirse en dimensiones atómicas (< 10 angstrom) hasta 100+ micrones. Aplicaciones: Se utiliza en plantas para la desalinización a partir de agua salada caliente.
13. Destilación Reactiva Descripción:La destilación reactiva permite llevar a cabo una transformación química simultáneamente con la separación de los componentes
a
contracorriente
que
resultan de ésta y una zona superior e
separación de los componentes a contracorriente que resultan de ésta y una zona superior e inferior de separación. Además, este tipo de operación permite, en muchos casos, el rompimiento de azeótropos, incrementar la conversión de algunos sistemas reactivos, así como la reducción de costos de inversión y operación al llevar a cabo dos operaciones en un mismo equipo. La destilación reactiva es una tecnología que integra la reacción y la separación en un mismo equipo. Esta integración tiene diversas ventajas potenciales, como son: Reducción en los costos, mejoras en la conversión de los reactivos y en la selectividad de los productos, así como ahorros en el uso de energía y reactivos entre otros. El análisis en destilación reactiva es considerablemente más compleja que en destilación convencional y debido a las diferencias entre los diversos tipos de reacción (exotérmicas, irreversibles, etc.) la generalización de reglas de diseño es difícil y cada sistema reactivo debe ser analizado de forma muy particular. Las principales líneas de investigación de esta tecnología son en el diseño, modelado, simulación, control y análisis de fenómenos no lineales como multiplicidad de estados y dinámica no lineal. La aplicación más importante de la destilación reactiva, hoy en día, es para sistemas reactivos en los cuales el equilibrio químico afecta la conversión a los productos de interés por la presencia de éste y otros productos secundarios. En estos casos, este proceso permite la separación de estos componentes desplazando el equilibrio hacia una mayor conversión del producto deseado. Aplicaciones: En la separación de Ácido Láctico por hidrólisis del lactato de metilo, en la síntesis de tetrahidrofurano (THF) y de butilacetato. Se aplica también en la hidrólisis del Acetato de Metilo, así como en la producción de Fenol y Acetona a partir de Hidroperóxido de Cumeno.
14. Destilación Repentina o Flash Descripción:La destilación flash o destilación en equilibrio, es una técnica de separación de una sola etapa. Si la mezcla que se desea separar es líquida, se alimenta a un intercambiador de calor donde se aumenta su temperatura y entalpía vaporizando parte de la mezcla, luego la mezcla entra a un volumen suficientemente grande (tambor de separación) donde el líquido y el vapor se separan. Como el vapor y el líquido están en un estrecho contacto, ocurre que las dos fases se aproximan al equilibrio. Aplicaciones: Los procesos de separación flash son muy comunes en la industria, particularmente en la refinación de petróleo.
Aunque
se
utilicen
otros
métodos de separación, no es raro encontrar
destilaciones
flashes
preliminares para reducir la carga de entrada a los otros procesos.
Aplicaciones industriales (DESTILACION FRACCIONADA) Existen numerosos procesos industriales, donde la destilación fraccionada es una operación clave y de suma importancia para la obtención y calidad de los productos fabricados. A continuación se muestran algunas industrias y procesos que dependen en gran medida de las operaciones de destilación.
Industria Petroquímica:
En la industria del petróleo, siendo ésta una mezcla muy compleja de componentes químicos de estructuras, pesos moleculares, puntos de ebullición, etc., muy diversos; todos los procesos de separación, incluida la isomerización, el cracking térmico y catalítico, la alquilación, etc., se realizan con sistemas de destilación fraccionada a presión normal reducida.
Industria de síntesis química:
En la industria de síntesis química, ya sea de materias primas o productos finos (química fina), se emplea la destilación fraccionada a presión normal , reducida , azeotrópica, etc., para lograr los distintos niveles de calidad de los productos, requeridos por los distintos mercados de aplicación. Procesos químicos tales como, la esterificación, la hidrogenación y la oxidación catalítica, la alquilación y la acilación de Friedel-Crafts, la halogenación fotoquímica, etc., requieren de operaciones de destilación para purificar los productos de síntesis.
Industria De Materia Primas (Rectificación de aceites esenciales):
Los aceites esenciales obtenidos por destilación al vapor de plantas aromáticas, son compuestos químicos oleosos que se encuentran en el interior de los vegetales, los cuales proporcionan a las plantas su olor característico. Estos son una mezcla de componentes terpénicos de diferentes estructuras y propiedades aromáticas. De acuerdo al tipo de producto, los aceites pueden encontrarse en sus raíces, tallos, flores o frutos. La industria utiliza estos aceites esenciales en su forma genérica o también fraccionada en sus distintos componentes como alcoholes, terpenos, aldehídos, etc. Algunos aceites tienen componentes con aromas desagradables, principalmente en la fracción volátil y de cola. Por esta razón para mejorar su calidad, se los fracciona a presión reducida, eliminando de esta manera aquellos componentes indeseables.
Así por ejemplo los aceites cítricos se desterpenan (esto es reducción del contenido en hidrocarburos terpénicos), para mejorar sus aromas y su solubilidad en matrices acuosas y polares. También se destilan los aceites esenciales para separar algunos de sus componentes en forma pura. Industria química Tratamiento de residuos tratamiento y el reciclaje de disolventes y otros residuos industriales con base solvente. Los disolventes y residuos tratados en las instalaciones provienen de actividades como: fabricación de pinturas, lacas, esmaltes, barnices, artes gráficas, fabricación de tintes, industria farmacéutica de base, laboratorios farmacéuticos, industria química, fabricación de resinas, fabricación de automóviles, industria galvanotécnica y fabricación de colas y adhesivos. Tratamientos:
Recuperación por destilación: Procesos de destilación simple de disolventes de limpieza, en instalaciones de fabricación de pinturas, tintes, barnices, etc. Recuperación por rectificación: Procesos de destilación fraccionada de disolventes residuales, de procesos químicos, en la industria de base de las empresas químicas y farmacéuticas.
En general, cabe señalar, que se necesitan varias etapas de fraccionamiento, para lograr un producto de alta pureza, con lo cual las operaciones de destilación son de gran importancia. Esos ejemplos son sólo algunos, de los muy numerosos procesos industriales donde, como se mencionó al comienzo, la destilación fraccionada es una operación principal. Para que se utilizan los aceites vegetales Los aceites esenciales son utilizados en infinidad de procesos industriales, los cuales resumimos a continuación: Industria farmacéutica: Los aceites esenciales tienen propiedades medicinales y fueron utilizados desde la antigüedad para curar enfermedades. La ciencia moderna los procesa para obtener drogas o remedios específicos para prevenir o curar diversas afecciones tanto del ser humano como de animales. En base a sus propiedades son ampliamente utilizados para el aparato digestivo, respiratorio, nervioso y circulatorio. Actualmente son de amplia utilización a nivel mundial en aromaterápia.
Industria alimenticia: Estos aceites proveen a la industria alimenticia sabores y aromas característicos, muy utilizados en panaderías, confituras, golosinas, gaseosas, helados, conservantes, galletitas, lácteos, etc. Industria química: Se los utiliza para proveer aromas a productos de limpieza, tales como desodorantes ambientales, saumerios, jabones, detergentes, lavavajillas, productos de uso hospitalario, etc. ó también a insecticidas y desinfectantes. Industria cosmética: La emplea para la fabricación de colonias, perfumes, jabones de tocador, cremas de diversos tipos, champús, desodorantes, acondicionadores y fijadores capilares, etc. Agroindustria: Tienen diversos usos como insecticidas naturales, alimentos balanceados para engorde en porcinos y aves, aromatizantes de tabaco, etc. De acuerdo al producto procesado, el material vegetal residual, una vez extraído el aceite, se utiliza como complemento alimenticio de ganado vacuno, porcino o avícola o como abono natural.
MAQUINARIAS QUE INTERVIENEN: Equipos para Destilación. Columnas de destilación: Una columna de destilación simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. Incluye, por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentación que separa dos secciones de etapas de equilibrio, denominadas rectificación y agotamiento. Se requiere de un dispositivo, como un rehervidor, donde se transfiera calor al líquido que emerge de la etapa de equilibrio correspondiente al fondo de la columna para vaporizarlo parcialmente, de tal manera que la fracción vaporizada se recircula al fondo de la columna y se mantenga en un flujo ascendente a través de la columna. La fracción no vaporizada se remueve como producto de fondo. El vapor que emerge de la etapa superior de la sección de rectificación es condensado, y el líquido resultante se divide en dos fracciones. Una fracción se remueve como el producto de tope o destilado. La otra fracción líquida, denominada reflujo, se recircula al tope de la columna y se mantiene en un flujo descendente a través de ella, estableciendo el contacto requerido con la fase vapor ascendente para la transferencia de masa deseada en cada una de las etapas de equilibrio líquido - vapor.
En la gran mayoría de columnas de destilación, el rehervidor es parcial pero el condensador puede ser total o parcial. Un condensador es total cuando todo el vapor del tope de la columna es completamente condensado, en el caso contrario se conoce como un condensador parcial. Si toda la fracción condensada se recircula a la columna se dice que la columna opera a reflujo total Las columnas de destilación complejas muestran una configuración diferente a las columnas simples. Por ejemplo, varias corrientes de alimento o varias corrientes de productos laterales El número de variables de diseño, tanto para columnas simple como complejas, se puede hacer mediante la determinación de la suma de las variables de los elementos que las integran y restándole a esta las nuevas relaciones de restricción que surgen cuando los elementos se combinan, es decir, aplicando la ecuación (4.2). De igual manera, las nuevas restricciones incluidas son las identidades entre corrientes que existen en cada una de las corrientes comunes entre dos elementos. Por lo tanto, un número de C + 2 nuevas relaciones de restricción deben contarse para cada corriente común en la combinación de elementos En esta sección se analizan columnas de destilación simple y compleja, con condensadores total o parcial y con reflujo parcial o total.
TORRE FRACCIONADORA DE CRUDO: Son las de mayor altura y diámetros de una refinería petrolera. Fenómenos naturales como huracanes, terremotos y condiciones del terreno pueden limitar la máxima altura (275 pies u 84 m).
TORRES AL VACÍO: La función de una torre al vacío es la de fraccionar hidrocarburos que hierven a más de 700ºF (370ºC) en la columna de crudo.
TORRE ESTABILIZADORA: Es un tipo de columna fraccionadora muy sencillo, usada generalmente para controlar la presión de vapor de la gasolina por fraccionamiento de una parte predeterminada de butano que sale con los productos de cabeza.
ACUMULADOR DE PRODUCTOS DE CABEZA DEL ESTABILIZADOR (CON BOTA DE AGUA) Todas las columnas de fraccionamiento tienen acumuladores de productos de cabeza para recibir los gases de cabeza de condensados. El acumulador de cabeza de la estabilizadora es el típico acumulador con bota de agua. Como una guía aproximada de diseño, el acumulador de cabeza tiene el mismo diámetro que la torre. El acumulador de cabeza tiene una brida de salida de 16”. En este recipiente hay un bypass de gases caliente. Éste está provisto en caso que los gases del acumulador de cabeza se condensen totalmente.
TORRES DESBUTANIZADORA: Separan por la cima butanos y por el fondo productos alquilados. La ventaja de eliminar productos ligeros es que las torres que siguen al desbutanizador, pueden operar a
presiones más bajas. Una torre desbutanizadora es de 300 platos en A.C. con válvulas de acero inoxidables con 12%Cr.
TORRES FRACCIONADORAS DE PRODUCTOS: Está diseñada para tomar alimentación desulfurizada, hidrocraqueada y desbutanizada y de forma similar a la de la columna de crudo, su función es la de separar una alimentación de multicomponentes en varios productos terminados y productos para alimentar a otras unidades en una refinería.
TORRE ABSORBEDORA: Su función es la de eliminar los hidrocarburos, de una corriente gaseosa, compuesta de hidrocarburos C1 a C4.
TORRES ABSOEBEDORAS DE MEA: Se usa Monoetanolamina (MEA), en muchos procesos de absorción. En este ejemplo de absorbedor es una torre de relleno.
TORRE SEPARADORA DE ALTA PRESIÓN:
Drum de evaporación a baja presión: La función de un tambor de evaporación a baja presión (tambor de flash), es la de eliminar hidrógeno y otros gases ligeros disueltos en los hidrocarburos debido a la alta presión en el recipiente precedente al tambor de evaporación a baja presión.
Torres despropanizadora de oleofinas: Las funciones es la de recibir el producto de las cima de la desbutanizadora y separar el propano, propileno, ácido sulfúrico y materiales livianos de los butanos y materiales más pesados. Torres splitter de isobutanos y butilenos: Separan por la cima los vapores más ricos en isobutanos y por el fondo normal butanos y butilenos. Torres depropanizadoras: Separan por la cima vapores ricos en propanos y por el fondo isobutanos y algo normal butano con propano. Torres deisobutanizadora: Separan por la cima vapores ricos en isobutanos y por el fondo normal butanos con productos alquilados.
Torres rectificadoras de alquilos: Retira por la cima aquilato liviano y por el fondo aquilato pesado. Todas las torres de esta forma utilizan un rehervidor que suministra una temperatura suficiente para separar los productos, menos la lavadora de vapores. Los alambiques: El alambique o alquitara es el aparato utilizado para destilación de líquidos mediante un proceso de evaporación por calentamiento y posterior condensación por enfriamiento. Fue inventadopara producir perfumes, medicinas y el alcohol procedente de frutas fermentadas. Es una herramienta de destilación simple que está constituida por una caldera o retorta, donde se calienta la mezcla. Los vapores emitidos salen por la parte superior y se enfrían en un serpentín situado en un recipiente refrigerado por agua. El líquido resultante se recoge en el depósito final. Los alambiques de laboratorio suelen ser de vidrio, pero los utilizados para destilar bebidas alcohólicas se fabrican normalmente de cobre, porque este material no proporciona sabor al alcohol, resiste los ácidos y conduce bien el calor. Cuando se destilan líquidos procedentes de la fermentación alcohólica de frutas, como el alcohol hierve a una temperatura (80 °C), inferior a la del agua, los vapores que primero se forman son los de aquél, aunque mezclados con una pequeña proporción de agua, y se consigue destilar una sustancia con mayor grado alcohólico que la original.
Condensadores: El condensador termodinámico es utilizado muchas veces en la industria de la refrigeración, el aire acondicionado o en la industria naval y en la producción de energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares. Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema fluido/aire, está compuesto por un tubo de diámetro constante que curva 180° cada cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el aire. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.
Las partes más significativas de un condensador son: Cuello. Es el elemento de unión con el escape de la turbina de vapor. Tiene una parte más estrecha que se une al escape de la turbina de vapor bien directamente mediante soldadura o bien a través de una junta de expansión metálica o de goma que absorbe los esfuerzos originados por las dilataciones y el empuje de la presión atmosférica exterior. La parte más ancha va soldada a la carcasa del condensador. Carcasa o cuerpo. Es la parte más voluminosa que constituye el cuerpo propiamente dicho del condensador y que alberga los paquetes de tubos y las placas. Suele ser de acero al carbono. Cajas de agua.Es el colector a la entrada y a la salida del agua de refrigeración (agua de circulación) con el objeto de que ésta se reparta de forma uniforme por todos los tubos de intercambio. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento de protección contra la corrosión que varía desde la pintura tipo epoxy (para el agua de río) hasta el engomado(para el agua de mar). Suelen ir atornillados al cuerpo del condensador. Tubos. Son los elementos de intercambio térmico entre el agua y el vapor. Su disposición es perpendicular al eje de la turbina. Suelen ser de acero inoxidable (agua de río) y titanio (agua de mar). Placas de tubos. Son dos placas perforadas que soportan los dos extremos de los tubos. Constituyen la pared de separación física entre la zona del agua de las cajas de agua y la zona de vapor del interior de la carcasa. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento (cladding) de titanio en la cara exterior cuando el fluido de refrigeración es agua de mar. Placas soporte.Son las placas perforadas situadas en el interior de la carcasa y atravesadas perpendicularmente por los tubos. Su misión es alinear y soportar los tubos, así como impedir que éstos vibren debido a su gran longitud. Su número depende de la longitud de los tubos. Suelen ser de acero al carbono. Pozo caliente. Depósito situado en la parte inferior del cuerpo que recoge y acumula el agua que resulta de la condensación del vapor. Tiene una cierta capacidad de reserva y contribuye al control de niveles del ciclo. De este depósito aspiran la bombas de extracción de condensado. Zona de enfriamiento de aire. Zona situada en el interior de los paquetes de tubos, protegida de la circulación de vapor mediante unas chapas para conseguir condiciones de subenfriamiento. De esta manera, el aire disuelto en el vapor se separa del mismo y mediante un sistema de extracción de aire puede ser sacado al exterior. Sistema de extracción de aire. Dispositivos basados en eyector que emplean vapor como fluido motriz o bombas de vacío de anillo líquido. Su misión, en ambos casos, es succionar y extraer el aire del interior del condensador para mantener el vacío. Estos dispositivos aspiran de la zona de enfriamiento de aire.
