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Agitación y Mezclado
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10 DESTILACIÓN EQUILIBRIO
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1.1 IMPORTANCIA Y TIPOS DE DESTILACION
Destilación, proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes má
volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dicho componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de
destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distinta
volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos volátil;
componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad princip de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero
eliminación del agua del alcohol evaporando evapor ando el alcohol se llama destilación, destilac ión, aunque se usa mecanismos similares en ambos casos.
Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los dos componente
es grande, puede realizarse fácilmente la separación completa en una destilación individua
El agua del mar, por ejemplo, que contiene un 4% de sólidos disueltos (principalmente s
común), puede purificarse fácilmente fáci lmente evaporando el agua, y condensando después el vap
para recoger el producto: agua destilada. Para la mayoría de los propósitos, este produc
es equivalente al agua pura, aunque en realidad contiene algunas impurezas en forma d gases disueltos, siendo la más importante el dióxido de carbono.
Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren ligeramente, n
se puede conseguir la separación total en una destilación individual. Un ejemplo importan
es la separación de agua, que hierve a 100 °C, y alcohol, hierve a this 78,5title °C. Sise hierv Signque up to vote on
Useful Not useful una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale esmás rico en y más pobre e alcohol
agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar un
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temperatura. Esta sencilla relación fue anunciada por vez primera por el químico francé François Marie Raoult (1830-1901) y se llama ley de Raoult. Esta ley sólo se aplica
mezclas de líquidos muy similares en su estructura química, como el benceno y el toluen
En la mayoría de los casos se producen amplias desviaciones de esta ley. Si u
componente sólo es ligeramente soluble en el otro, su volatilidad aumenta anormalment
En el ejemplo anterior, la volatilidad del alcohol en disolución acuosa diluida es varias vece
mayor que la predicha por la ley de Raoult. En disoluciones de alcohol muy concentrada
la desviación es aún mayor: la destilación de alcohol de 99% produce un vapor de meno
de 99% de alcohol. Por esta razón el alcohol no puede ser concentrado por destilación má de un 97%, aunque se realice un número infinito de destilaciones. Este proceso, conocido como rectificación o destilación fraccionada, se utiliza mucho en
industria, no sólo para mezclas simples de dos componentes (como alcohol y agua en lo
productos de fermentación, u oxígeno y nitrógeno en el aire líquido), sino también pa
mezclas más complejas como las que se encuentran en el alquitrán de hulla y en el petróle
La columna fraccionadora que se usa con más frecuencia es la llamada torre de burbuje
You'rehorizontalmente, Reading a Preview en la que las placas están dispuestas separadas unos centímetros, y lo
vapores ascendentes suben por unas de aburbujeo Unlockcápsulas full access with free trial. a cada placa, donde burbujea
a través del líquido. Las placas están escalonadas de forma que el líquido fluye de izquierd Download With Free Trial
a derecha en una placa, luego cae a la placa de abajo y allí fluye de derecha a izquierda
La interacción entre el líquido y el vapor puede ser incompleta debido a que pued
producirse espuma y arrastre de forma que parte del líquido sea transportado por el vapo
a la placa superior. En este caso, pueden ser necesarias cinco placas para hacer el traba
Sign up to vote on this title de cuatro placas teóricas, que realizan cuatro destilaciones. Un equivalente barato de Useful Not useful torre de burbujeo es la llamada columna apilada, en la que el líquido fluye hacia abajo sob
una pila de anillos de barro o trocitos de tuberías de vidrio.
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puntos adecuados. Se han utilizado torres de más de 500 placas para separar isótopos po destilación. Destilación por arrastre de vapor
Si dos líquidos insolubles se calientan, ninguno de los dos es afectado por la presencia d
otro (mientras se les remueva para que el líquido más ligero no forme una cap
impenetrable sobre el más pesado) y se evaporan en un grado determinado solamente p
su propia volatilidad. Por lo tanto, dicha mezcla siempre hierve a una temperatura men
que la de cada componente por separado. El porcentaje de cada componente en el vap
sólo depende de su presión de vapor a esa temperatura. Este principio puede aplicarse sustancias que podrían verse perjudicadas por el exceso de calor si fueran destiladas en forma habitual.
Es una técnica aplicada en la separación de sustancias poco solubles en agua. L
destilación por arrastre de vapor se emplea para separar una sustancia de una mezcla qu
posee un punto de ebullición muy alto y que se descomponen al destila
Reading a Preview De otra manera, la destilación porYou're arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vaporizació
selectiva del componente volátil Unlock de una formada por éste y otros "no volátiles". L fullmezcla access with a free trial. anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el seno de
Download With Free Trial mezcla, denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la d
"arrastrar" el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fa
inmiscible que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. E
este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilació
Sign up tocomo vote onsithis (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará el title otro no estuvie Useful Not useful presión presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su propia de vapor y corresponde
a la de un líquido puro a una temperatura de referencia.
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temperatura de destilación. Si la destilación se efectúa en un vacío prácticamente perfect
el proceso se llama destilación molecular. Este proceso se usa normalmente en la industr
para purificar vitaminas y otros productos inestables. Se coloca la sustancia en una plac
dentro de un espacio evacuado y se calienta. El condensador es una placa fría, colocad
tan cerca de la primera como sea posible. La mayoría del material pasa por el espacio ent las dos placas, y por lo tanto se pierde muy poco.
En general la destilación se define como la operación de separar, por transferencia de mas
y calor, las sustancias de una mezcla aprovechando la diferencia de volatilidades o punto
de ebullición. Ésta depende de parámetros como el equilibrio liquido-vapor, temperatur
presión, composición, energía (todos relacionados con las presiones de vapor de la sustancias).
Debido a que muchas sustancias, que se desean separar por destilación, no puede
calentarse ni siquiera a temperaturas próximas a sus puntos normales de ebullición (a un
atmósfera de presión), por que se descompondrían químicamente, o bien, otras sustancia
con puntos de ebullición muy elevados demandarían gran cantidad de energía para s
Reading a Preview destilación a la presión ordinaria,You're se emplea el método de destilación al vacío o a presió
reducida. El cual consiste en reducir dea free operación para obtener la ebullición Unlock la fullpresión access with trial.
temperaturas bajas, ya que un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor igua la presión de operación.
Download With Free Trial
Se deben utilizar torres empacadas para destilaciones a presiones absolutas del orden d
7 a 35 KN/m2, se pueden diseñar platos de capucha y perforados con caídas de presió
cercanas a 350 KN/m2, torres de aspersión para caídasSign de presión de 0.015 psi, ycolumna up to vote on this title
de aspersión agitadas mecánicamente y las de paredes mojadas caídas de presió Not useful Useful para aún más pequeñas.
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de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz. Por ejempl
la separación del hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en moléculas que contienen do
isótopos diferentes del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por med de la destilación molecular centrífuga.
Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y s
coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultad
de la gravedad. En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamad
vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son mil
de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz. Por ejempl
la separación del hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en moléculas que contienen do
isótopos diferentes del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por med de la destilación molecular centrífuga.
La destilación molecular centrifuga es una técnica de depuración que tiene una amp
utilización en la industria química, procesamiento de alimentos, productos farmacéuticos
las industrias del petróleo, así como la industria de productos químicos especiale Sublimación
You're Reading a Preview
Unlock full access with a free trial.
Si se destila una sustancia sólida, pasándola directamente a la fase de vapor y otra vez
With Trialmomento, el proceso se llam la fase sólida sin que se formeDownload un líquido enFree ningún
sublimación. La sublimación no difiere de la destilación en ningún aspecto important excepto en el cuidado especial que se requiere para impedir que el sólido obstruya
aparato. La rectificación de dichos materiales es imposible. El yodo se purifica p sublimación.
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Destilación destructiva
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Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en vario
productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la mism operación, el proceso se llama destilación destructiva.
Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiv
del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva d
la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este últim
proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabric distintos subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva. Destilación azeotrópica
Mezcla azeotropica es aquella mezcla líquida de dos o más componentes que poseen un
temperatura de ebullición constante y fija, esta mezcla azeotropica se forma debido a qu
al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, es decir como si fuese un so
componente, esto se verifica en el hecho que el vapor producido por la evaporación parci del líquido tiene la misma composición que el líquido. You're Reading a Preview El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo positivo y el que
hace a una temperatura mínimaUnlock se llama azeótropo La mayoría de azeótropo full access with a freenegativo. trial. son del tipo negativo.
Download With superior, Free Trial intermedia o inferior a la de lo Un azeótropo, puede hervir a una temperatura
constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial,
igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple, por lo que e necesario añadir otro componente para romper la mezcla azeotrópica.
Sign up to vote on this title Si las temperaturas son muy altas, se puede utilizar la destilación al vacio, lo que disminuy Useful Not useful los puntos de ebullición de las sustancias, asi como laproporcion de las mezclas.
La composición de la mezcla azeotrópica cambia si cambia la presión exterior, pudiend
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Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias co puntos de ebullición distintos pero cercanos.
La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna d fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con
líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Es
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 d
ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullició pasan al estado líquido.
Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y
producción de etanol. Destilación por lotes o Batch
En las destilaciones por lotes, llamadas también batch, se carga al equipo una determinad
cantidad de la mezcla de interés para que, durante la operación, uno o más compuestos s
vayan separando de la mezcla original. Un ejemplo común corresponde a las destilacione
Preview que ocurren en los laboratorios, You're donde Reading el líquidoa es vaciado en un recipiente y calentad
hasta hervir. El vapor formado seUnlock retirafull continuamente access with a freepor trial.condensación, que correspond al compuesto más volátil.
With Free Trial En las separaciones por lotes noDownload hay estado estable y la composición de la carga inici
cambia con el tiempo. Esto trae consigo un incremento en la temperatura del recipiente decremento en la cantidad de los componentes menos volátiles a medida que avanza destilación. Sign up to vote on this title
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1.2 Relaciones de equilibrio líquido-vapor
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Si un recipiente cerrado, en el que previamente se ha hecho vacío, se llena parcialmen con una sustancia líquida A, ésta se evaporará parcialmente, (si está en cantidad suficien para que el proceso no sea total), de modo que se alcanzará finalmente un estado d equilibrio en el que la presión reinante en el recipiente es la presión de vapor de
sustancia a la temperatura considerada, . Existen tablas en las que se pueden encontr directamente las presiones de vapor de sustancias puras a diversas temperaturas. Tambié puede estimarse mediante fórmulas empíricas, como la Antoine: muchas sustancias. 3
, estando tabulados los coeficientes A, B, y C
Supóngase ahora un recipiente lleno de líquido A a una temperatura T 0, de modo que u
de sus paredes es móvil. Si la presión externa sobre ella es P ~( y se le aporta calor, aumentará la temperatura del líquido y su presión de vapor, de modo que ambas presione tienden a igualarse. Cuando eso sucede se formará la primera burbuja de vapor, es dec comienza la ebullición. La temperatura a la cual se igualan ambas presiones es el punto es 1Reading atm tendremos el punto de ebullición normal. Si s ebullición a la presión P. Si ésta You're a Preview sigue aportando calor, esta temperatura permanece constante entre tanto haya líquid Unlock full access with a free trial. aumentando de nuevo cuando toda la sustancia esté en fase gaseosa. 4
Download Free Trial en fase líquida, A y B. Eso quie Consideremos ahora una mezcla ideal deWith dos sustancias decir, entre otras cosas que: a) la interacción de moléculas de A con moléculas de B e idéntica a la que se da entre las moléculas de A o entre las de B; b) el volumen de mezc es la suma de los volúmenes de A y B por separado; c) el calor de mezcla es nulo; d) equilibrio líquido-vapor obedece la ley de Raoult. Sign up to vote on this title
5
useful Useful deNot La ley de Raoult establece que, en el equilibrio, la presión parcial una sustancia es igu a su presión de vapor por la fracción molar en la fase líquida, es decir:
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que , la presión de vapor del componente pesado. La figura 13.1 muestra el diagram de equilibrio a una temperatura T constante.
10 11 Fig. 13.1. Equilibrio L-V a T cte. Mezclas ideales (Fuente: Treybal, 1993, pp.385). You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
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(13.3)
16 Si A es el componente más volátil, es claro que es mayor que P y consecuentemen Y A es mayor que X A,0. Se dice que el vapor está enriquecido en el componente más volá si bien es obvio que ello no implica que Y A sea mayor que YB. Para el componente pesa se cumple que Y B es menor que X B,0.
17 Si se sigue aportando calor, la temperatura no se mantiene constante, sino que aumentando; ello se debe a que el líquido se va empobreciendo en componente volátil, p
lo que, para alcanzar la presión total, tendrá que aumentar y , (ecuación 13.2). calor aportado no solo se invierte en vaporizar, sino también en elevar la temperatura d ambas fases.
18 Finalmente, llega un momento en el que queda una última gota de mezcla; esta mezc estará en equilibrio con un vapor cuya composición, será, obviamente, ig ual a la de la mezc líquida de partida; por tanto, aplicando la ley de Raoult se puede escribir: 19
You're Reading a Preview
Unlock este full access with a free 20 siendo Y A = X A,0. Resolviendo sistema detrial.ecuaciones se obtiene T llamada temperatura de rocío, y X A, la composición de la última gota de la mezcla, la m Download pobre en el componente más volátil, A. With Free Trial
21 Conviene aclarar que T R también es la temperatura a la cual se produciría la primera go de líquido a partir de una mezcla de vapores de A y B de composición Y A = X A,0; de ahí nombre de temperatura de rocío. Sign up to vote on this title
22 La figura 13.2. recoge el diagrama de equilibrio de fases a presión Not useful para este ti Useful constante de mezclas.
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24 25 Fig. 13.3. Desviaciones positivas.
You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
26
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27 Fig. 13.4. Desviaciones negativas 28 En el entorno de A puro, esto es para
se cumple la ley de Raoult para A aunque
para mezcla sea no ideal. En ese mismo rango se up satisface la this ley title de Henry Sign to vote on PB = HB . XB, donde H B es la constante de Henry, que depende deuseful la temperatura. Useful sólo Not
29 Si las desviaciones son más acusadas, pueden llegar a formarse "azeótropos", es dec
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32 Si los líquidos son inmiscibles, sus moléculas no interaccionan entre sí y se vaporizan condensan de forma independiente; se puede decir, a todos los efectos, que la mezcla s comporta como si hubiera un tabique de separación entre lostolíquidos A ytitle B y compartiera Sign up vote on this un espacio común para los vapores. En el equilibrio,cada componente se comporta com Useful Not useful una sustancia pura; en consecuencia, la presión parcial de equilibrio será igual a la presió de vapor para cada componente.
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34 Si se introducen dos de estos líquidos en un recipiente en el que se ha hecho el vacío, mantiene una temperatura constante, y se agita para evitar la decantación de uno de lo componentes, ambos pasarán You're al estado de vapor hasta alcanzar un estado de equilibrio e Reading a Preview el que la presión total será la suma de las presiones parciales de vapor de los componente Unlock full access with a free trial. puros, mientras existan ambos en estado líquido, no importando las cantidades presente de uno u otro:
(13.4)With Free Trial Download
35 Si se introducen ambos en un recipiente con un émbolo, a presión constante, y se apor calor partiendo de una temperatura baja, ésta aumentará produciéndose la primera burbu de vapor cuando P = composición de esa burbuja de vapor es:
, siendo T B la temperatura de ebullición. Sign up to vote on this title
36
,y
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Not useful
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