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TRANSFERENCIA DE MASA II Ing. Carlos Angeles Queirolo UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA - 1 - D E S T I L A C I Ó N En la Ingeniería Química muchas operaciones están relacionadas con la modificación de la composición d e mezclas o soluciones de líquidos por medio de métodos, que no necesariamente implican reacciones químicas sino más bien la transferencia de masa entre dos fases mutuamente inmiscibles. Estas operaciones están dirigidas habitualmente a cambios en la composición de las mezclas o soluciones por medio de cambios físicos y, dentro de éstas, la destilación es la más ampliamente utilizada para conseguir la separación de los componentes de una mezcla. Por otro lado, las operaciones con transferencia de masa suelen basarse en la distribución desigual en el equilibrio, de las sustancias que han de separarse entre dos fases mutuamente inmiscibles. Operación con transferencia de masa entre dos fases inmiscibles La destilación es un método para separar los componentes de una solución, el que depende de la distribución de las sustancias entre las fases vapor y líquido, y es apli cable a los casos donde todos los componentes se hallan presentes en ambas fases. Operación con transferencia de masa directa Es un rango característico de algunas operaciones, el que las fases mutuamente inmiscibles entre las cuales se distribuyen las sustancias que han de separarse, se crean a partir de la solución original por adición o disipación de calor. Así en la destilación, la formación de una segunda fase a expensas de la primera ocurre por vaporización o por condensación, dando lugar a la transferencia de masa tanto del líquido al vapor como del vapor al líquido. Ambas fases contienen generalmente los mismos componentes, pero en cantidades relativas diferentes, siendo el resultado de esta transferencia de masa el aumento de los componentes más volátiles en el vapor por un aumento de los componentes menos volátiles en el líquido. Principio de la destilación La destilación por otra parte está relacionada con la separación de soluciones donde todos los componentes son apreciablemente volátiles. Los componentes tienen diferentes puntos de ebullición. Los componentes más ligeros (de punto de ebullición más bajo) tienden a concentrarse en la fase de vapor, mientras que los más pesados (de punto de ebullición más alto) tienden a concentrarse en la fase liquida. Se puede definir la DESTILACIÓN como una operación con transferencia de masa directa entre una fase líquida y una fase vapor, cuya finalidad es que dada una solución de dos o más componentes se
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
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D E S T I L A C I Ó N
En la Ingeniería Química muchas operaciones están relacionadas conla modificación de la composición de mezclas o soluciones de líquidospor medio de métodos, que no necesariamente implican reacciones
químicas sino más bien la transferencia de masa entre dos fasesmutuamente inmiscibles.
Estas operaciones están dirigidas habitualmente a cambios en lacomposición de las mezclas o soluciones por medio de cambios físicos
y, dentro de éstas, la destilación es la más ampliamente utilizadapara conseguir la separación de los componentes de una mezcla.
Por otro lado, las operaciones con transferencia de masa suelenbasarse en la distribución desigual en el equilibrio, de las sustancias
que han de separarse entre dos fases mutuamente inmiscibles.
Operación con transferencia de masa entre dos fasesinmiscibles
La destilación es un método para separar los componentes de unasolución, el que depende de la distribución de las sustanciasentre las fases vapor y líquido, y es aplicable a los casos donde
todos los componentes se hallan presentes en ambas fases.
Operación con transferencia de masa directa
Es un rango característico de algunas operaciones, el que lasfases mutuamente inmiscibles entre las cuales se distribuyen las
sustancias que han de separarse, se crean a partir de la soluciónoriginal por adición o disipación de calor.
Así en la destilación, la formación de una segunda fase a expensasde la primera ocurre por vaporización o por condensación, dando
lugar a la transferencia de masa tanto del líquido al vapor comodel vapor al líquido.
Ambas fases contienen generalmente los mismos componentes,pero en cantidades relativas diferentes, siendo el resultado deesta transferencia de masa el aumento de los componentes másvolátiles en el vapor por un aumento de los componentes menosvolátiles en el líquido.
Principio de la destilación
La destilación por otra parte está relacionada con la separación desoluciones donde todos los componentes son apreciablementevolátiles.
Los componentes tienen diferentes puntos de ebullición. Loscomponentes más ligeros (de punto de ebullición más bajo) tiendena concentrarse en la fase de vapor, mientras que los más pesados(de punto de ebullición más alto) tienden a concentrarse en la faseliquida.
Se puede definir la DESTILACIÓN como una operación contransferencia de masa directa entre una fase líquida y una fase vapor,cuya finalidad es que dada una solución de dos o más componentes se
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separarán al mayor estado de pureza posible por vaporización parcialde la fase líquida mediante un adecuado suministro de calor yposterior condensación de los vapores producidos, debido a ladiferencia de volatilidades de los mismos.
APLICACIONES
La variedad de los equipos de destilación y sus aplicaciones esenorme.
Las mayores unidades se encuentran generalmente en la industriadel petróleo pero también se aplican en la separación de solventes,en la separación del aire líquido y en los procesos químicos engeneral.
En los procesos de purificación de los productos obtenidos a partirdel alquitrán de hulla, trementina, glicerina, ácidos grasos, aceitesesenciales, perfumes, formaldehído, acetona, alcanfor, fenol, ácidoacético y un cúmulo de productos orgánicos y farmacéuticos seutiliza la destilación en una o más de sus diversas formas.
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Métodos de Destilación
La destilación es la operación más usual de la Ingeniería Química quetiene por finalidad la separación de dos o más componentes de unamezcla debido a sus diferencias de volatilidad, mediante la
vaporización parcial de la misma y la condensación de los vaporesformados.
La operación de destilación se puede llevar a cabo en forma continuao discontinua, en una sola etapa o en varias, a presión atmosférica óa presiones mayores o al vacío, etc.
A pesar de que resulta difícil establecer un criterio único parapoder clasificar los métodos de destilación, quizás resulta másconveniente distinguir los métodos habituales.
Según el procedimiento de efectuar la operación de destilación,podemos distinguir los siguientes métodos más comunes:
Destilación en equilibrio o vaporización instantánea Destilación por lotes o discontinua Destilación fraccionada o rectificación continua
Entre otros métodos también podemos distinguir:
Destilación azeotrópica Destilación extractiva Destilación molecular Destilación por arrastre con vapor Destilación reactiva
Destilación en equilibrio
Se le conoce también evaporación rápida, vaporización instantánea odestilación flash.
Este es un método de destilación que se realiza en una sola etapa, y esuna operación que consiste en que la mezcla líquida o alimentación (F)se evapora parcialmente, llevando el vapor producido (V) al equilibriocon el líquido remanente (L). Puede llevarse a cabo en flujo continuo odiscontinuo, aunque frecuentemente se hace en forma continua.
Debido a que el grado de separación que se alcanza es pobre, estemétodo es utilizado como un equipo de separación preliminar.
VaporV, moles/hryi
P
AlimentaciónF , moles/ hrziF
N
T
LíquidoL , moles/hrxi
Figura 1 : Equipo de destilación en equilibrio
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Un esquema típico para una operación en flujo continuo es mostradoen la figura Nº 1. La mezcla líquida o alimentación ( F ) recibe calor(agente de separación) a través de un intercambiador de calor y,luego de pasar a través de una válvula reductora de presión o deexpansión, se lleva a un tanque (separador) donde el vapor producido
se lleva al equilibrio con el líquido remanente, y las fases líquida ( L ) y vapor ( V ) resultantes se separan y posteriormente se extraen delequipo.
En la práctica la vaporización instantánea generalmente se realizareduciendo la presión en la corriente de alimentación, en lugar decalentarla a presión constante. Los productos en fase vapor (V) ylíquida (L) son retirados del equipo y se encuentran cerca delequilibrio uno con otro.
El diseño y construcción del equipo aseguran un equilibrio simpleentre las fases líquido y vapor, asumiendo que existe una adecuadamezcla en la línea de alimentación y una adecuada separación defases en el separador.
Destilación por lotes o discontinua
Este método de destilación es una operación discontinua, en la quela mezcla a separarse en sus componentes (fase líquida) se carga porlotes o partidas (Batch-wise) mientras que el vapor producido esremovido continuamente.
Se pueden distinguir dos modos de operación:
Destilación diferencial o Batch simple
Destilación discontinua con rectificación
En la Destilación Diferencial o Batch Simple se carga una
determinada cantidad de la mezcla en fase líquida ( F ) al destilador,produciéndose la vaporización mediante un adecuado suministro decalor, tal como se puede observar en la figura Nº 2 donde se presentaun esquema típico para una destilación diferencial:
VAPOR Al condensador
VAPOR DE AGUA CONDENSADO
CARGA LIQUIDA ( F )
Figura 2: Equipo de destilación diferencial
Los vapores producidos se eliminan en forma continua al ser enviadosrápidamente a un condensador, donde se licúan sin que el líquidocondensado retorne al destilador, recogiéndose en un recolector. Amedida que transcurre la destilación, el líquido se empobrece en loscomponentes más volátiles, elevándose continuamente la temperatura
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de ebullición del líquido remanente y del mismo modo, los vaporesproducidos son cada vez más pobres en estos componentes.
El destilado puede ser recogido en varias partidas, denominadas“cortes”, para dar una serie de productos destilados de distinta
pureza o en una sola partida, obteniéndose un destilado global.Se utiliza ampliamente en el laboratorio y en unidades de produccióna pequeña escala.
En la Destilación discontinua con Rectificación la cantidad inicial dematerial se alimenta al destilador y se separa continuamente la fasevapor resultante, llevándolo a un condensador donde se licúa.
Reflujo Destilado
VAPOR DE AGUA CONDENSADO
CARGA LIQUIDA ( F )
Figura 3 : Equipo de destilación discontinua con rectificación
Tal como se muestra en la figura Nº 3, el condensado se separa en dosfracciones, una se retira como producto y la otra se retorna al equipocomo corriente de reflujo.
Se puede operar manteniendo constante la corriente de reflujo o
variarse de manera arbitraria. Si se mantiene constante el reflujo, lacomposición del destilado varía continuamente; y por el contrario paramantener constante la composición del destilado, deberá aumentarsepaulatinamente la relación de reflujo.
Destilación Fraccionada o Rectificación Continua
La destilación fraccionada es un método que se lleva a cabonecesariamente en flujo continuo, y en contracorriente, realizada demanera tal que el vapor que fluye a través del equipo se pone encontacto con una porción condensada del vapor, previamente producidoen el mismo aparato.
El líquido fluye a lo largo de la columna en forma descendente porgravedad, mientras que el vapor lo hace en forma ascendente debido auna caída de presión.
De este contacto resulta una transferencia de materia y unintercambio de calor en forma simultánea, consiguiéndose así un mayorenriquecimiento del vapor, en los componentes más volátiles, que aquelque podría alcanzarse en una simple operación de destilación queutilizara la misma cantidad de calor.
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El equipo para llevar a cabo la destilación fraccionada, al quedenominaremos columna de destilación, es un cilindro vertical quecontiene algún dispositivo interno que favorece el contacto entre ellíquido y el vapor, y en consecuencia la transferencia de masa entrelas fases. Según los dispositivos internos que favorecen el contacto
entre las fases líquido y vapor, se tiene la columna provista de platoso bandejas y la columna con relleno, cuya representaciónesquemática se presenta en la Figura. Nº 4.
QC QC V V
LO D LO D
F F
L V L V
QR B QR B
( a ) ( b )
Figura Nº 4: Equipo de destilación fraccionada
( a ) Columna de platos ( b ) Columna con relleno
La alimentación (F) a separarse en sus productos, se introduce más omenos centralmente en la columna, dando lugar a la identificación dedos zonas o secciones.
La sección superior, por encima de la alimentación, se denomina Zona
de Enriquecimiento o Zona de Rectificación que es donde se separanlos componentes menos volátiles del vapor que fluye hacia arriba, elcual se enriquece en los componentes menos volátiles; mientras que lasección inferior, por debajo de la alimentación, se denomina Zona deEmpobrecimiento o Zona de Desorción que es donde se separan loscomponentes más volátiles del líquido que fluye hacia abajo.
El vapor (V) que sale por el tope de la columna se lleva unintercambiador de calor que es un condensador, donde éste es licuadototal o parcialmente. La carga calórica en el condensador ( QC )
representa la cantidad de energía necesaria que debe retirarse paraconseguir la condensación total o parcial, tal como se muestra en laFigura Nº 5.
QC QC
V V
D
LO
LO D( a ) ( b )
Figura Nº 5 : Representación de condensadores
( a ) Condensador total ( b ) Condensador parcial
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La corriente líquida que retorna por el extremo superior de lacolumna se denomina reflujo (LO), mientras que la corriente que seelimina continuamente por el parte superior es el producto destilado( D ) o producto de tope o cabeza, enriquecida en los componentesmás volátiles.
Cuando es posible el uso de un condensador total (Figura Nº 5a),todo el vapor que sale por el extremo superior de la columna escondensado completamente obteniéndose un líquido en su punto deburbuja o por debajo del punto de burbuja.
En este caso, dado que solo existe un cambio de fase tanto lacorriente de vapor ( V ), el producto destilado ( D ) y la corrientede reflujo ( LO ) tienen la misma composición.
En cambio, cuando se dispone de un condensador parcial (Figura Nº5b) solo parte del vapor es posible de condensar, especialmentecuando la condensación del destilado hace difícil la condensacióncompleta. Se enfría el vapor lo suficiente para condensar la cantidadde reflujo líquido necesario ( LO ) y se retira la fracción nocondensada como producto destilado ( D ).
En este caso, considerando que se alcance una condensación deequilibrio, tanto la corriente de vapor ( V ) que sale de la columna e
ingresa al condensador, el producto destilado ( D ) y la corriente dereflujo ( LO ) tienen diferente composición.
El líquido ( L ) que sale por el fondo de la columna es llevado a unintercambiador de calor que es el recalentador , donde éste esevaporado parcialmente. La carga calórica en el recalentador ( QR )
representa la cantidad de energía necesaria que debe retirarse paraconseguir la vaporización parcial. El vapor producido ( V ) esretornado a la columna, mientras que el líquido se extrae comoproducto de fondos o residuo ( B ), el que está enriquecido en loscomponentes menos volátiles.
Destilación Azeotrópica
Este método es un caso especial de la destilación fraccionada decomponentes múltiples. El método es aplicado en la separación demezclas binarias que son difíciles o imposibles de separar mediante larectificación continua.
Cuando se quiere separar una mezcla binaria que tiene una volatilidadrelativa muy baja para la obtención de productos de alta pureza serequeriría de un equipo con un elevado número de bandejas y con unagran sección transversal, así como altos requerimientos calóricos yelevadas relaciones de reflujo.
En otros casos, la formación de un azeótropo puede hacer imposible laseparación de productos puros por medio de la destilaciónfraccionada. En estas condiciones se adiciona un tercer componente a
la mezcla binaria para formar un azeótropo nuevo con punto deebullición bajo, con uno de los componentes de la mezcla binariaoriginal, cuya volatilidad sea tal que pueda separarse del otrocomponente original.
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Destilación extractiva
Este es un método de destilación fraccionada para componentesmúltiples cuyos fines son análogos a la destilación azeotrópica. A una
mezcla binaria que sea difícil o imposible de separar se le adicionaun tercer componente, denominado solvente, de modo tal que alterala volatilidad relativa de los componentes originales, posibilitando asíla separación. El solvente adicionado es de baja volatilidad y no seevapora apreciablemente en el fraccionador.
Destilación por Arrastre de Vapor
Este método consiste en la inyección directa de vapor de aguasobrecalentado a la mezcla líquida a destilar, solubilidad del vapor enel líquido debe ser muy baja. se aplica en los casos en que la mezcla adestilar tiene un punto de ebullición elevado y especialmente en loscasos en que puede tener lugar la descomposición de algúncomponente de la mezcla si se aplica la destilación directa.
La presencia de este nuevo componente reduce la presión parcial delos componentes a destilar con lo que la temperatura de vaporizaciónpuede ser inferior, lo que es útil cuando determinados componentes
de la mezcla son sensibles al calor. En las operaciones habituales elvapor de agua no llega a condensar, por lo que abandona el equipo conel destilado, separándose posteriormente del mismo.
