La destilación fraccionaria es un tipo especial de destilación diseñado para separar una mezcla de dos o más líquidos que tienen diferentes puntos de ebullición. El proceso implica el calentamiento de la mezcla y la condensación parcial de los vapores a lo largo de una columna (columna de fraccionamiento), que se configura de manera que los componentes con puntos de ebullición más bajos pasan a través de la columna y se recogen antes que los componentes con puntos de ebullición más altos. Generalmente, este método se utiliza cuando los componentes hierven a menos de 25 °C entre sí bajo una presión de una atmósfera (atm).
La tecnología de separación de la destilación fraccionada es útil tanto en la investigación como en el ámbito industrial. En la industria, se utiliza comúnmente en refinerías de petróleo, plantas químicas y plantas de procesamiento de gas natural. Asimismo, si se licúa una muestra de aire, se puede separar en sus componentes para producir oxígeno líquido, nitrógeno líquido y argón. También se pueden destilar clorosilanos para producir silicio de alta pureza para su uso como semiconductor.
Destilación fraccionada en un laboratorio
Aparato
Una configuración de laboratorio para la destilación fraccionaria a menudo implica el uso de las siguientes piezas del aparato, puestas juntas como se muestra en la imagen de la derecha:
- una fuente de calor (como una placa caliente con un baño)
- un matraz de destilación (típicamente un matraz de fondo redondo)
- un matraz receptor (a menudo un matraz de fondo redondo o un matraz cónico).fondo redondo o un matraz cónico)
- una columna de fraccionamiento (columna de Vigreux)
- un cabezal de destilación
- un termómetro y un adaptador si es necesario
- un condensador (condensador Liebig, condensador Graham, o condensador Allihn)
- un adaptador de vacío (para destilaciones a presión reducida)
- chips de ebullición (también conocidos como gránulos antibullición)
- tapones de goma, a menos que se utilice cristalería de laboratorio con juntas de vidrio esmerilado, como un aparato de ajuste rápido.
Procedimiento
El aparato se monta como en el diagrama (que representa un aparato de lote, en contraposición a un aparato continuo). La mezcla se introduce en un matraz de fondo redondo junto con algunos gránulos antibumping, y la columna de fraccionamiento se coloca sobre la boca del matraz. A medida que la mezcla hierve, el vapor asciende por la columna. El vapor se condensa en las plataformas de cristal, conocidas como bandejas, dentro de la columna, y vuelve a bajar al líquido que hay debajo. Esto se conoce como «reflujo» del destilado.
Sólo la fracción más volátil de los vapores permanece en forma gaseosa hasta la parte superior de la columna. Esta fracción pasa al condensador, que la enfría hasta que se licua, y este líquido se recoge en el matraz receptor.
La eficiencia en cuanto a la cantidad de calentamiento y el tiempo necesario para conseguir el fraccionamiento puede mejorarse 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 superior. En condiciones estables, el vapor y el líquido de cada bandeja están en equilibrio. El fraccionamiento es más completo con la adición de más bandejas (hasta ciertas limitaciones prácticas).
En la destilación de laboratorio, se puede utilizar cualquiera de los varios tipos de condensadores. El condensador 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 Graham es un tubo en espiral dentro de una camisa de agua. El condensador Allihn tiene una serie de estrechamientos grandes y pequeños en el tubo interior, cada uno de los cuales aumenta la superficie en la que pueden condensarse los componentes del vapor.
En montajes alternativos, se puede utilizar un adaptador de «vaca» o «cerdo», conectado a tres o cuatro matraces receptores. Girando la «vaca» o el «cerdo», los destilados pueden ser canalizados hacia el receptor apropiado. También se puede utilizar un triángulo de Perkin para recoger las fracciones de destilación, sin necesidad de un adaptador «vaca» o «cerdo». Un triángulo Perkin se utiliza más a menudo cuando los destilados son sensibles al aire, o cuando las fracciones se destilan y se recogen a presión reducida, pero puede utilizarse tanto para destilaciones simples como para destilaciones fraccionadas.
Los sistemas de destilación al vacío operan a presión reducida, disminuyendo así el punto de ebullición de los materiales.
Ejemplo
Considere la destilación de una mezcla de agua y etanol. El etanol hierve a 78,5 °C, y el agua hierve a 100 °C. Sobre esta base, uno debería ser capaz de separar los dos componentes por destilación fraccionada. Sin embargo, una mezcla de 96% de etanol y 4% de agua hierve a 78,2 °C, siendo más volátil que el etanol puro. Dicha mezcla se denomina azeótropo. Cuando la mezcla se calienta suavemente, el azeótropo (al ser el componente más volátil) se concentra en mayor medida en el vapor y se separa primero del resto del líquido. Así, la destilación fraccionada de una mezcla de agua y etanol produce un 96% de etanol. Una vez que todo el etanol ha hervido fuera de la mezcla, el termómetro muestra un fuerte aumento de la temperatura.
Destilación industrial
La destilación fraccionada es la forma más común de tecnología de separación utilizada en las refinerías de petróleo, las plantas petroquímicas y químicas y las plantas de procesamiento de gas natural. Por ejemplo, esta técnica se utiliza en las refinerías de petróleo para separar el crudo en sustancias útiles (o fracciones) compuestas por diferentes hidrocarburos con distintos puntos de ebullición. Las fracciones de petróleo crudo con puntos de ebullición más altos están formadas por moléculas más grandes (con más átomos de carbono y pesos moleculares más altos), tienen un color más oscuro, son más viscosas y son más difíciles de encender y quemar.
La mayoría de las veces, se añade continuamente nueva alimentación a la columna de destilación, y los productos se eliminan continuamente. 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 añade y la cantidad de producto que se elimina son normalmente iguales. Esto se conoce como destilación fraccionada continua y en estado estacionario.
La destilación industrial se realiza típicamente en grandes columnas cilíndricas verticales conocidas como «torres de destilación o fraccionamiento» o «columnas de destilación.» Sus diámetros oscilan entre unos 65 centímetros y seis metros, y sus alturas oscilan entre unos seis metros y 60 metros o más. Las torres de destilación tienen salidas de líquido a intervalos hacia arriba de la columna, lo que permite la extracción de diferentes fracciones o productos con diferentes puntos de ebullición o rangos de ebullición. Los productos más «ligeros» (los que tienen el punto de ebullición más bajo) salen por la parte superior de las columnas y los productos más «pesados» (los que tienen el punto de ebullición más alto) salen por la parte inferior de la columna.
La destilación fraccionada también se utiliza para la separación del aire (licuado) en sus componentes, produciendo oxígeno líquido, nitrógeno líquido y argón de alta pureza. La destilación de clorosilanos permite la producción de silicio de alta pureza para su uso como semiconductor.
Las torres industriales a gran escala utilizan el reflujo para lograr una separación más completa de los productos. El reflujo se refiere a la parte del producto líquido condensado de la torre de fraccionamiento que se devuelve a la parte superior de la torre, como se muestra en el diagrama esquemático de la derecha. Dentro de la torre, el líquido de reflujo que fluye hacia abajo proporciona la refrigeración necesaria para condensar los vapores que fluyen hacia arriba, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo se proporcione para un número determinado de platos teóricos, mayor será la capacidad de la torre para separar los materiales de menor ebullición de los de mayor ebullición. Alternativamente, cuanto más reflujo se proporcione para una determinada separación deseada, menos platos teóricos serán necesarios.
En usos industriales, a veces se utiliza un material de empaquetamiento en lugar de bandejas dentro de la columna, especialmente cuando se opera a presiones reducidas. Este material de empaquetamiento puede ser un empaquetamiento volcado al azar (de una a tres pulgadas de ancho), como los anillos Raschig, o una lámina metálica estructurada. Los líquidos tienden a mojar la superficie de la empaquetadura y los vapores pasan a través de esta superficie mojada, donde se produce la transferencia de masa. A diferencia de la destilación convencional por bandejas, 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, cuando se modelan columnas empaquetadas, es útil calcular un número de «platos teóricos» para denotar la eficiencia de separación de la columna empaquetada con respecto a las bandejas más tradicionales. Las empaquetaduras de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y espacios vacíos entre las empaquetaduras. Ambos factores afectan al rendimiento del empaquetado.
Diseño de columnas de destilación industrial
El diseño y el funcionamiento de una columna de destilación depende de la alimentación y de los productos deseados. En el caso de una alimentación simple de componentes binarios, se pueden utilizar métodos analíticos como el método de McCabe-Thiele o la ecuación de Fenske. Para una alimentación multicomponente, se utilizan modelos de simulación tanto para el diseño como para el funcionamiento.
Además, las eficiencias de los dispositivos de contacto vapor-líquido (denominados platos o bandejas) utilizados en las columnas de destilación, como se ve en la figura dos, suelen ser inferiores a la de una etapa de equilibrio teórica del 100% de eficiencia. Por lo tanto, una columna de destilación necesita más platos que el número de etapas teóricas de equilibrio vapor-líquido.
Ver también
- Azeótropo
- Punto de ebullición
- Destilación
- Etanol
- Mezcla
- Solución
- Solución
- Disolvente
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Notas
- Si la diferencia de puntos de ebullición es superior a 25 °C, se utiliza un método de destilación simple.
- Dada la formación de un azeótropo, el etanol no puede purificarse completamente por destilación fraccionada directa de mezclas de etanol y agua.
- Henry Z. Kister, Distillation Design, 1a ed. (McGraw-Hill, 1992, en inglés). (McGraw-Hill, 1992, ISBN 0-07-034909-6).
- 4.0 4.1 4.2 Robert H. Perry y Don W. Green, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6th ed. (McGraw-Hill, 1984, ISBN 0-07-090-6). (McGraw-Hill, 1984, ISBN 0-07-049479-7).
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- J. D. Seader y Ernest J. Henley, Separation Process Principles (Nueva York: Wiley, 1998, ISBN 0-471-58626-9).
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- Vogel, Arthur Israel, y Brian S. Furniss. 1989. Vogel’s Textbook of Practical Organic Chemistry. Harlow: Pearson. ISBN 0582462363
- Definición de destilación fraccionada
- Guía de destilación
- Historia de la destilación fraccionaria
- Historia de la «destilación fraccionaria»
Todos los enlaces recuperados el 21 de abril de 2017.
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