Destilación Fraccionada

Destilación Fraccionada.

1. Introducción.-

1.1 Destilación:

El proceso de destilación constituye un método excelente para purificar un líquido estable en su punto de ebullición. La técnica puede adaptarse también para materiales inestables en las cercanías de sus puntos de ebullición y esta modificación (destilación al vacío). La destilación es un método especialmente valioso a efectos de purificación porque puede aplicarse con relativa facilidad a gran cantidad de muestras líquidas; además, el único “reactivo” adicional que interviene en la destilación es el calor. El calor puede retirarse de la mezcla de reacción de una manera mucho más cómoda que un disolvente, de modo que la contaminación del producto es un problema mucho menor. Desde luego, nada de lo dicho es aplicable a un producto que sea inestable en su punto de ebullición y se descomponga.

Un líquido es un fluido que reúne átomos o moléculas de energía variable. Cuando una molécula del líquido se acerca al límite de la fase vapor-líquido, puede pasar de la fase líquida a la de vapor si tiene suficiente energía para hacerlo. La molécula debe ser lo suficientemente energética como para superar las fuerzas que la mantienen en la fase líquida. Las únicas moléculas que pueden escapar de la fase líquida a la de vapor son aquellas que tienen suficiente energía como para superar esas fuerzas.

Algunas moléculas están en la fase de vapor que cubre el líquido; a medida que esas moléculas se acercan a la superficie del líquido, pueden introducirse en la fase líquida y formar parte de la fase condensada. De este modo, la molécula cede parte de su energía cinética (es decir, su movimiento se hará más lento). Durante el proceso de vaporización, las moléculas energéticas se pierden en la fase de vapor, pero el sistema gana esa energía durante la condensación. El calentamiento del líquido hará entrar más moléculas en la fase de vapor y el enfriamiento de la fase de vapor invierte este proceso.

Cuando el sistema está en equilibrio, tantas cuantas moléculas se están escapando de la fase líquida al vapor, están volviendo del vapor al líquido. La extensión de este equilibrio se mide por la presión de vapor. Si la energía del sistema aumenta, pero el equilibrio se mantiene, más moléculas de la fase líquida tendrán la energía suficiente para escapar a la fase de vapor, el número de moléculas en esta fase aumenta y, con ellas la presión de vapor. El número exacto de moléculas en la fase de vapor depende principalmente de la temperatura, la presión y de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en la fase líquida.

Cuando en la fase líquida están presentes dos componentes distintos, el vapor que cubre el líquido contendrá algunas moléculas de cada uno de ellos. Si convenimos en llamar A y B a los dos componentes del líquido, el número de moléculas de A en la fase líquida vendrá determinado por la volatilidad de A y por la fracción molar de A en la mezcla. En otras palabras, las cantidades relativas de los componentes A y B en la fase de vapor estará relacionada con la presión de vapor de cada líquido puro y la presión de vapor total de la mezcla que cubre el líquido es la suma de las dos presiones parciales. Esta relación puede expresarse matemáticamente por la ley de Raoult:

Ptotal = PA + PB donde: PA = P°ANA y PB = P°BNB

donde: PA = presión parcial de A.

PB = presión parcial de B.

P°A = presión de vapor de A puro.

P°B = presión de vapor de B puro.

NA = fracción molar de A.

NB = fracción molar de B.

A la presión atmosférica (1 atm = 760 mm de Hg), la suma de las presiones parciales es igual a 1 atm, Si se conocen la composición del líquido y la presión parcial de un componente, puede determinarse la otra presión parcial. Análogamente, si se conocen la composición del vapor y la fracción molar de uno de los componentes, puede determinarse la composición de líquido.

Para el caso de varios componentes, la composición del vapor puede determinarse a partir de la presión parcial de cada componente por separado y de la fracción molar de cada uno de ellos en la mezcla. El caso de la presencia de dos o tres componentes en cantidades significativas en una mezcla, a separar por destilación es poco frecuente.

Existen 5 procedimientos de destilación:

• Destilación Simple.

• Destilación fraccionada.

• Destilación al vacío.

• Formación de azeótropo.

• Destilación por arrastre de vapor.

En la presente monografía nos centraremos y dedicaremos profunda y exclusivamente al estudio y la investigación de la destilación fraccionada.

2. Cuerpo.

2.1 Destilación fraccionada:

“¿Cómo podemos separar dos líquidos?” la respuesta está, en la destilación, pero destilación de una clase más complicada. Ven cómo se separa el etanol del agua y después separan fracciones del crudo del petróleo. El propósito en torno a esta presentación monográfica es presentar demostrar el procedimiento de la destilación fraccionada.

En la destilación fraccionada, la fase vapor que se separa del seno del líquido atraviesa una columna de fraccionamiento, llega a un refrigerante donde condensa y luego se recolecta. La destilación fraccionada es la combinación de muchas destilaciones simples es una sola operación, para lo cual se utiliza una columna de fraccionamiento vertical rellena con un material inerte (perlas de vidrio, trozos de plato poroso, etc.), en la cual acurren sucesivas evaporaciones y condensaciones hasta que finalmente el vapor alcanza el extremo de la columna y condensa en el refrigerante. Una destilación fraccionada equivale a cientos de destilaciones simples y resulta eficaz incluso en la separación de líquidos cuyos PE se diferencian en una fracción de grado. Se dice que una columna de destilación fraccionada posee varios cientos de platos teórico, siendo cada uno de ellos el equivalente a una destilación simple para las primeras porciones de destilado. Por lo tanto la eficacia de una columna de destilación fraccionada es mayor cuantos más platos teóricos posee. Para lograr el equilibrio evaporación-condensación es necesario que la columna trabaje en forma adiabática, para lo cual se la recubre con un aislante térmico (por ejemplo: hilo de amianto). El vapor formado que asciende por la columna, se condensa al tomar contacto con la parte más fría del relleno: cada vez que los vapore son condensados. El vapor más rico en el componente de bajo PE, quedando en el líquido residual del balón los componentes de mayor PE. Este proceso repetido gran número de veces produce vapores de componentes de bajo PE que pasan puros a través de la tubuladura lateral de la columna y condensa finalmente en el refrigerante. La temperatura de la mezcla de líquidos que quedan en el balón ascenderá después hasta la temperatura de ebullición del próximo componente y nuevamente se producirá una separación de las sustancias de la mezcla.

La presión de vapor de una disolución tiene relación directa con la destilación fraccionada, procedimiento de separación de los componentes líquidos de una disolución que se basa en la diferencia en sus puntos de ebullición. La destilación fraccionada es, en cierta forma, análoga a la cristalización fraccionada. Suponga que se desea separar un sistema binario (un sistema con dos componentes), por ejemplo, benceno-tolueno. Tanto el benceno como el tolueno son relativamente volátiles, a pesar de que sus puntos de ebullición son muy diferentes (80.1°C y 110.6°C, respectivamente). Cuando se hierve una disolución que contiene estas dos sustancias, el vapor formado es algo más rico en el componente más volátil, el benceno. Si el vapor se condensa en UIJ recipiente distinto y se hierve de nuevo el líquido, en la fase de vapor se obtendrá una mayor concentración de benceno. Si se repite este proceso muchas veces, es posible separar por completo el benceno del tolueno.

El más común de los procedimientos de destilación es el de la destilación fraccionada. En el caso más favorable para la destilación, el contaminante hierve a una temperatura muy distinta del punto de ebullición del componente principal. Se debe grabar en la mente que incluso la sustancia de punto de ebullición más elevado contribuirá a la fase de vapor en proporción a su propia presión de vapor y a la fracción molar del componente presente. La única forma de que la fase de vapor que cubre el líquido sea un componente puro es cuando el líquido sea una muestra pura. Sin embargo, la situación no es imposible, porque con frecuencia la contribución del vapor del segundo componente con respecto a la del componente principal, es pequeña y para fines prácticos puede despreciarse.

En general, si los puntos de ebullición de dos líquidos difieren en menos de unos 70°C, resultará insuficiente un aparato de destilación simple apara separarlos. Por lo general, el empleo de una columna de destilación facilitará la separación. Cuanto mayor sea la longitud de la columna de destilación, mejor será la separación que se consiga. Generalmente, el relleno de la columna con un material inerte mejorará también la separación. No obstante, si los puntos de ebullición de los dos componentes difieren en menos de unos 10°C, sólo se podrán separar mediante el empleo de un equipo especial.

En la fig.1 se muestra un diagrama de composición del vapor para un sistema de dos componentes (componentes A y B). Los ejes verticales a ambos lados del diagrama indican la temperatura y el eje horizontal indica la composición en tanto

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