Universidad de Guayaquil Facultad de ingeniería industrial Grupo 1
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peraciones unitarias 1 !ESTI"A#I$N La destilación es la operación de separar las distintas sustancias que componen una mezcla líquida mediante vaporización y condensación selectivas. Dichas sustancias, que pueden ser componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados, se separan aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de ellas, ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.
Tipos destilación • • • • • • •
Destilación simple Destilación fraccionada Destilación al vacío Destilación azeotrópica Destilación por arrastre de vapor Destilación mejorada Destilación seca
¿Cuáles son los usos de la destilación en la industria? La destilación es un proceso natural que consiste en variar la temperatura para separar de un líquido uno o más componentes que se encuentran juntos. La destilación se utiliza mucho en las industrias que renan petróleo, para desalinizar agua, para producir licor, cerveza o vino, y producir muchos productos químicos que se utilizan en los hogares y fáricas. Refnamiento de petróleo
!uando se e"trae e"trae el petróleo petróleo crudo, dependiendo dependiendo de donde donde provenga, provenga, este cont co ntien iene e much muchos os co comp mpon onen ente tess que que requ requie iere ren n dest destil ilac ació ión n para para que que el comustile comustile pueda ser utilizado por tu auto. auto. #fortunad #fortunadament amente, e, los muchos tipos de hidrocaruros en eullición del petróleo crudo tienen diferentes temp temper erat atur uras as de eul eulli lici ción ón y se pued pueden en se sepa parar rar uno uno a uno. uno. $n otro otross proc proces esos os quím químic icos os,, los los dive divers rsos os hidr hidroc ocar aru urros se pued pueden en se sepa para rarr o com co min inar ar para para prod produc ucir ir una una ciert cierta a varie varieda dad d de prod produc ucto tos, s, tales tales co como mo
gasolina, plásticos, comustile para aviones, ras sint%ticas, ceras, neumáticos y queroseno.
Desalinizar agua
#lgunas de las áreas geográcas del planeta no pueden proporcionar suciente agua potale como para sostener la vida. $l agua potale puede ser suministrada por las plantas de destilación que convierten el agua de mar en agua potale. $l proceso de destilación es el mismo, aunque el m%todo de calentamiento usado para alcanzar temperaturas de eullición puede variar. Las dos fuentes principales para la producción de calor son la electricidad y el gas. $s posile que puedas destilar tu propia agua potale para eliminar sustancias químicas no deseadas, g%rmenes y otras impurezas. &in emargo, el agua destilada ordinaria tendrá un saor insatisfactorio. 'roalemente se pueda comprarla casi tan arato como si tu mismo la huieras destilado. Licores destilados
Los licores, cerveza y vino, en alg(n momento de su faricación, se sometieron a un proceso de destilación para separar el producto líquido nal de los granos o frutos de los que se producen. Destilación del petróleo
La destilación del petróleo se realiza mediante las llamadas, torres de fraccionamiento. $n esta, el petróleo asciende por la torre aumentando su temperatura, oteni%ndose los derivados de este en el siguiente orden) • • • • • • • •
*esíduos sólidos #ceites y luricantes +asóleo y fuel uerosen -aftas +asolinas Disolventes +L' +ases licuados del petróleo/
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&i hay un e"cedente de un derivado del petróleo de alto peso molecular, pueden romperse las cadenas de hidrocaruros para otener hidrocaruros mas ligeros mediante un proceso denominado craqueo.
Elementos químicos ordenados por su punto de ebullición
parato de destilación
0%cnicamente el t%rmino alamique se aplica al recipiente en el que se hierven los líquidos durante la destilación, pero a veces se aplica al aparato entero, incluyendo la columna fraccionadora, el condensador y el receptor en el que se recoge el destilado. $ste t%rmino se e"tiende tami%n a los aparatos de destilación destructiva o craqueo. Los alamiques para traajar en el laoratorio están hechos normalmente de vidrio, pero los industriales suelen ser de hierro o acero. $n los casos en los que el hierro podría contaminar el producto se usa a menudo el core, y los alamiques peque1os para la destilación de 2his3y están hechos frecuentemente de vidrio y core. # veces tami%n se usa el t%rmino retorta para designar a los alamiques.
!ublimación &i se destila una sustancia sólida, pasándola directamente a la fase de vapor y otra vez a la fase sólida sin que se forme un líquido en ning(n momento, el proceso se llama sulimación. La sulimación no diere de la destilación en ning(n aspecto importante, e"cepto en el cuidado especial que se requiere para impedir que el sólido ostruya el aparato. La recticación de dichos materiales es imposile. $l yodo se purica por sulimación.
Destilación simple La destilación simple o destilación sencilla es una operación donde los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los enfría condensación/ de modo que el destilado no resulta puro. &u composición será diferente a la composición de los vapores a la presión y temperatura del separador y pueden ser calculada por la ley de *aoult. $n esta operación se pueden separar sustancias con una diferencia entre 455 y 655 grados !elsius, ya que si esta diferencia es menor, se corre el riesgo de crear azeótropos. #l momento de efectuar una destilación simple se dee recordar colocar la entrada de agua por la parte de aajo del refrigerante para que de esta manera se llene por completo. 0ami%n se utiliza para separar un sólido disuelto en un líquido o 6 líquidos que tengan una diferencia mayor de 75 8! en el punto de eullición
Destilación fraccionada La destilación fraccionada de alcohol etílico es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con puntos de eullición cercanos.
La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. 9sta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden, junto con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes :platos:. $sto facilita el intercamio de calor entre los vapores que lo ceden/ y los líquidos que lo recien/.
Destilación al vacío La destilación al vacío consiste en generar un vacío parcial por dentro del sistema de destilación para destilar sustancias por deajo de su punto de eullición normal. $ste tipo de destilación se utiliza para puricar sustancias inestales por ejemplo las vitaminas.
Lo importante en esta destilación es que al crear un vacío en el sistema se puede reducir el punto de eullición de la sustancia casi a la mitad. $n el caso de la industria del petróleo es la operación complementaria de destilación del crudo procesado en la unidad de destilación atmosf%rica, que no se vaporiza y sale por la parte inferior de la columna de destilación atmosf%rica. $l vaporizado de todo el crudo a la presión atmosf%rica necesitaría elevar la temperatura por encima del umral de descomposición química y eso, en esta fase del reno de petróleo, es indeseale.
$l residuo atmosf%rico o crudo reducido procedente del fondo de la columna de destilación atmosf%rica, se omea a la unidad de destilación a vacío, se calienta generalmente en un horno a una temperatura inferior a los ;55 8!, similar a la temperatura que se alcanza en la fase de destilación atmosf%rica, y se introduce en la columna de destilación. $sta columna traaja a vacío, con una presión asoluta de unos 65 mm de
$n la unidad de vacío se otienen solo tres tipos de productos)
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+as =il Ligero de vacío +=L/. +as =il 'esado de vacío +='/. *esiduo de vacío.
Los dos primeros, +=L y +=', se utilizan como alimentación a la unidad de craqueo catalítico despu%s de desulfurarse en una unidad de hidrodesulfuración
$l producto del fondo, residuo de vacío, se utiliza principalmente para alimentar a unidades de craqueo t%rmico, 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 vacío puede ser materia prima para producir asfaltos
Destilación azeotrópica $n química, la destilación azeotrópica es una de las t%cnicas usadas para romper un azeótropo en la destilación. >na de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla etanol?agua. >sando t%cnicas normales de destilación, el etanol solo puede puricarse a apro"imadamente el @7 A.
>na vez se encuentra en una concentración de @7B7 A etanolBagua, los coecientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla tami%n es de @7B7 A etanol?agua, por lo tanto destilar de nuevo no es efectivo. #lgunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. 'or lo tanto el azeótropo @7B7 A dee romperse para lograr una mayor concentración.
$n uno de los m%todos se adiciona un material agente de separación. 'or ejemplo, la adición de enceno a la mezcla camia la interacción molecular y elimina el azeótropo. La desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el enceno. =tro m%todo, la variación de presión en la destilación, se asa en el hecho de que un azeótropo depende de la presión y tami%n que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coecientes de actividad se cruzan. &i el azeótropo se salta, la destilación puede continuar.
'ara saltar el azeótropo, el punto de %ste puede moverse camiando la presión. !om(nmente, la presión se ja de forma tal que el azeótropo quede cerca del 455 A de concentración, para el caso del etanol, %ste se puede uicar en el @C A. $l etanol puede destilarse entonces hasta el @C A. #ctualmente se destila a un poco menos del @7,7 A. $l alcohol al @7,7 A se envía a una columna de destilación que está a una presión diferente, se lleva el azeótropo a una concentración menor, tal vez al @ A. Ea que la mezcla está por encima de la concentración azeotrópica actual, la destilación no se FpegaráG en este punto y el etanol se podrá destilar a cualquier concentración necesaria.
'ara lograr la concentración requerida para que el etanol sirva como aditivo de la gasolina se utiliza etanol deshidratado. $l etanol se destila hasta el @7 A, luego se hace pasar por un tamiz molecular que asora el agua de la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del @7 A de concentración, que permite destilaciones posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede reutilizarse.
Destilación por arrastre de "apor $n la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cao la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por %ste 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 inmiscile que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. $n este caso se tendrán la presencia de dos fases insolules a lo largo de la destilación orgánica y acuosa/, por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. $s decir, cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia. La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolules en agua ya que el producto destilado volátil formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente. !omo 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 emargo, si la mezcla a destilar es un hidrocaruro con alg(n aceite, la presión de vapor del aceite al ser muy peque1a se considera despreciale a efectos del cálculo) ' H 'a8 I '8 Donde) •
' H presión total del sistema
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'a8H presión de vapor del agua
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'8H presión de vapor del hidrocaruro
'or otra parte, el punto de eullición de cualquier sistema se alcanza a la temperatura a la cual la presión total del sistema es igual a la presión del connamiento. E como los dos líquidos juntos alcanzan una presión dada, más rápidamente que cualquiera de ellos solos, la mezcla hervirá a una temperatura más aja que cualquiera de los componentes puros. $n la destilación por arrastre es posile utilizar gas inerte para el arrastre. &in emargo, el empleo de vapores o gases diferentes al agua implica prolemas adicionales en la condensación y recuperación del destilado o gas. $l comportamiento que tendrá la temperatura a lo largo de la destilación será constante, ya que no e"isten camios en la presión de vapor o en la composición de los vapores de la mezcla, es decir que el punto de eullición permanecerá constante mientras amos líquidos est%n presentes en la fase líquida. $n el momento que uno de los líquidos se elimine por la propia eullición de la mezcla, la temperatura ascenderá ruscamente. &i en mezcla inaria designamos por na y n a las fracciones molares de los dos líquidos en la fase vapor, tendremos) •
'a8 H na ' '8 H n' dividiendo)
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'a8 H na ' H na
•
'8 H n ' H n
na y n son el n(mero de moles de # y J en cualquier volumen dado de vapor, por lo tanto) •
'a8 H na
•
'8 H n
E como la relación de las presiones de vapor a una :0: dada es constante, la relación naBn, dee ser constante tami%n. $s decir, la composición del vapor es siempre constante en tanto que amos líquidos est%n presentes. #demás como) na H 2aBKa y nH 2BK Donde) 2a y 2 son los pesos en un volumen dado y Ka, K son los pesos moleculares de # y J respectivamente. La ecuación se transforma en) 'a8 H na H 2aK'8n2Ka = ien) 2a H Ka'a82K'8 $sta (ltima ecuación relaciona directamente los pesos moleculares de los dos componentes destilados, en una mezcla inaria de líquidos.
'or lo tanto, la destilación por arrastre con vapor de agua, en sistemas de líquidos inmisiles en %sta se llega a utilizar para determinar los pesos moleculares apro"imados de los productos o sustancias relacionadas. $s necesario estalecer que e"iste una gran diferencia entre una destilación por arrastre y una simple, ya que en la primera no se presenta un equilirio de fases líquido?vapor entre los dos componentes a destilar como se da en la destilación simple, por lo tanto no es posile realizar diagramas de equilirio ya que en el vapor nunca estará presente el componente :no volátil: mientras est% destilando el volátil. #demás de que en la destilación por arrastre de vapor el destilado otenido 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 amos componentes aunque más enriquecido en alguno de ellos. #demás 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, pudi%ndose descomponer si se trata de un aceite esencial.
Destilación mejorada
!uando e"isten dos o más compuestos en una mezcla que tienen puntos de eullición relativamente cercanos, es decir, volatilidad relativa menor a 4 y que forma una mezcla no ideal es necesario considerar otras alternativas más económicas a la destilación convencional, como son) •
destilación alterna
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destilación reactiva
$stas t%cnicas no son ventajosas en todos los casos y las reglas de análisis y dise1o pueden no ser generalizales a todos los sistemas, por lo que cada mezcla dee ser analizada cuidadosamente para encontrar las mejores condiciones de traajo.
Destilación seca La destilación seca es la calefacción de materiales sólidos en seco sin ayuda de líquidos solventes/, para producir productos gaseosos que pueden condensarse luego en líquidos o sólidos/. $ste procedimiento ha sido usado
para otener comustiles líquidos de sustancias sólidas, tales como carón y madera. $sto tami%n puede ser usado para dividir algunas sales minerales por termólisis, para otención de gases (tiles en la industria.
