De muy antiguo se conoce un procedimiento
para enriquecer en alcohol aquellas mezclas obtenidas
por fermentación de productos naturales
como el mosto, la caña de azúcar, la cebada y el arroz.
El procedimiento es muy semejante en todos los casos.
En un recipiente se introduce una mezcla líquida que recibe calor
y parcialmente se vaporiza.
El vapor producido se conduce a la zona fría del propio recipiente,
donde condensa, y en el extremo se recoge el producto apreciado.
Una vez separada cierta cantidad de sustancia
se interrumpe el tratamiento.
El residuo tiene un interés subsidiario.
Éste mismo procedimiento se usa ampliamente en el laboratorio
para separar los componentes de un líquido.
El resultado no es la obtención de un compuesto puro,
sino de una mezcla de propiedades diferentes a la mezcla inicial
y mucho más diferentes de aquella que permanece en el ebullidor,
como consecuencia de la separación de los componentes más volátiles,
arrastrados en el destilado,
de los componentes menos volátiles que permanecen en el residuo.
El fenómeno se justifica por las leyes termodinámicas del equilibrio.
Si dos fases vapor-líquido
formadas por dos componentes se hayan en equilibrio
poseen igual presión y temperatura,
sin embargo sus composiciones
en cada uno de los componentes serán diferentes.
Operando a presión constante,
para cada temperatura se definen las composiciones
de las fases líquida y vapor que están en equilibrio,
la fase vapor se halla siempre enriquecida en componente volátil
respecto a la fase líquida.
Una mezcla multicomponente tiene un comportamiento análogo.
Al calentar una mezcla líquida
de composición definida hasta su punto de burbuja,
se desprende de ésta un vapor ligeramente concentrado
en el componente de menor punto de ebullición,
a medida que aumenta la cantidad evaporada
disminuye el contenido de dicho compuesto en el vapor.
Claramente se comprueba que no es posible llegar a una buena separación
de los componentes de la mezcla inicial con una destilación simple,
únicamente puede aislarse parcialmente un componente
que posea un punto de ebullición muy inferior al que exhibe el resto.
Si una sustancia formada por dos compuestos se destila,
se divide en dos fracciones,
si ambas se someten por separado a una nueva destilación,
se llega a cuatro porciones
de las cuales dos tienen una composición semejante
y otras dos han mejorado
la concentración del componente más volátil
y del componente más pesado, respectivamente.
Repetido el proceso un número elevado de veces
se puede obtener una cantidad muy pequeña de los componentes puros,
y un gran número de muestras de composición intermedia
que deberían ser tratadas de nuevo.
El resultado no es halagador.
Sin embargo el método resulta muy eficaz
si se sustituye el trabajo discontinuo por cargas,
por un trabajo en continuo
que equivale a un gran número de tratamientos sucesivos.
Para ello se pone en contacto una corriente vapor
y una corriente líquida que no se hallan en equilibrio,
y por ello surge una transferencia del componente más volátil,
desde la fase líquida hacia la fase vapor,
y del componente menos volátil desde la fase vapor a la fase líquida.
Las fases se ponen en contacto
haciéndolas recorrer en contracorriente
una columna de relleno,
que facilita la existencia de superficie interfásica
donde se realiza la transferencia de materia.
El procedimiento más habitual hace moverse a la corriente líquida
sobre la superficie horizontal de una especie de bandejas -platos-,
colocados en diferentes alturas del recipiente de la operación,
llamado torre o columna,
de modo que el líquido cae,
desde el plato más alto hasta el plato situado en la base
por unos conductos laterales de unión entre piso y piso,
a su vez los platos están perforados y por ello pueden ser atravesados
por la corriente vapor que circula de abajo hacia arriba,
de este modo el contacto de ambas fases está asegurado.
Veamos ahora como se provoca la formación de ambas corrientes.
En la zona inferior de la columna o en un ebullidor contiguo
se suministra calor y así se forma la corriente vapor,
la fase vapor de salida de la zona superior,
una vez enfriada y condensada,
se devuelve en parte a la columna, es el reflujo,
de este modo se introduce la fase líquida.
La mezcla a separar se alimenta como vapor,
como líquido o como mezcla de ambos
en la parte central de la columna, en el piso de composición semejante.
La composición de ambas corrientes es más rica en componentes volátiles
cuánto más próxima está a la cabeza,
y tanto más rica en componentes pesados
cuánto más próxima está al calderín,
por consiguiente la temperatura más alta corresponde al calderín,
y la temperatura menor al vapor de salida
y aún menor a la corriente de reflujo.
Si el contacto entre fases es suficiente
se puede llegar al equilibrio entre ambas corrientes
antes de abandonar el plato,
y se dice en este caso
que el plato constituye una etapa teórica de equilibrio,
y que la columna es una sucesión de etapas teóricas de equilibrio.
En la realidad,
en cada plato no se llega a alcanzar el equilibrio etapa real
y se habla de eficacia de etapas reales.
Parte del vapor de cabeza, una vez condensado,
se introduce en el primer piso como reflujo,
dada su composición y temperatura puede ceder compuestos volátiles
al vapor que entra procedente del segundo plato,
de este modo se consigue el intercambio en la cabeza de la torre.
En el fondo de la columna, en el calderín,
el líquido y el vapor producido pueden estar en equilibrio,
el calderín se comporta como otra etapa teórica.
En el caso de mezclas multicomponentes
la separación se realiza
respecto a dos compuestos de puntos de ebullición contiguos,
considerado los componentes ordenados respecto a esta propiedad,
de modo que uno de ellos, junto a los componentes más volátiles que él,
se separan en la corriente de cabeza,
el segundo componente de aquellos más pesados que él,
se separan en la corriente de fondos.
Como es lógico se necesitan al menos "n-1" operaciones,
para separar "n" compuestos,
si bien es frecuente fraccionar la alimentación
en varios cortes de productos semejantes.
En la industria química la operación más empleada
es sin duda la destilación.
Se utiliza para aislar los componentes
de ciertas materias primas,
caso de la obtención de los diferentes compuestos
que forman parte del crudo del petróleo
o de la separación del oxígeno, nitrógeno y helio del aire.
En las reacciones químicas se aísla frecuentemente el producto deseado
de los reactivos y de otros productos secundarios por destilación,
así se opera en la oxidación,
cloración y nitración de hidrocarburos.
Por destilación se concentran también
productos obtenidos a cierta dilución, como el acido nítrico.
Los productos obtenidos en multitud de procesos
como la destilación seca de la madera,
o la pirolisis y gasificación del carbón, se separan por rectificación.
En los tratamientos de extracción
el disolvente se elimina por destilación,
así se purifica el aceite de semillas extraído por hexano.
Ya que las mezclas tratadas por destilación son muy diferentes,
sus tratamientos aún dentro del esquema general
presentan también características peculiares.
No se puede hablar de un único procedimiento
de destilación de crudos,
sin embargo el esquema general
es análogo para las diferentes refinerías.
Se emplea una única torre de destilación
mantenida a presión atmosférica,
acopladas a ella operan varias columnas auxiliares
que permiten fraccionar el crudo en varios cortes.
El diámetro de la columna principal
es acorde con la elevada producción diaria
y su altura responde al número de platos necesarios
para el fraccionamiento de la alimentación,
en cortes cuyos componentes tienen una volatilidad próxima.
El crudo, previamente desgasificado y acondicionado,
se introduce en un horno donde se vaporiza parcialmente
y así es conducido a una zona intermedia de la columna,
necesitando algunos platos para separar
la parte evaporizada de la fracción líquida.
En la zona de destilación,
a suficiente número de platos por encima de la alimentación,
la corriente líquida parcialmente agotada se separa,
y se somete a destilación en la columna auxiliar
que consta únicamente de la zona de agotamiento,
es decir no se introduce en ella reflujo en cabeza,
si no la propia alimentación líquida.
La fase vapor se produce al introducir vapor de agua en fondos
para arrastrar los componentes más volátiles.
La corriente vapor de salida se devuelve a la columna principal,
y del fondo se extrae una fase líquida y pesada
conocida como gasóleo.
En los platos superiores de la columna principal,
que corresponden a la zona más agotada,
se realizan otras captaciones de fase líquida
que son tratadas de modo semejante al descrito.
Se llevan a otra columna auxiliar,
reciben vapor y sufren la destilación,
el vapor de cabeza se devuelve a la columna principal
y se separa el líquido agotado en volátiles,
de este modo se aísla queroseno y gasolinas pesadas.
En cabeza de columna se extrae una fase gaseosa
que se somete a condensación parcial por simple enfriamiento,
el líquido formado se presenta en dos fases, una acuosa y una orgánica.
Una vez separada la acuosa
se devuelve parte de la fase orgánica como reflujo de la columna principal,
y el resto forma la corriente principal de salida -nafta ligera-.
Los compuestos ligeros que no condensan por simple enfriamiento
se someten a presión y una vez parcialmente licuados se fraccionan,
propano, butano y en especial isobutano
son los componentes más apreciados.
Los gases convenientemente tratados se utilizan
parte como combustible -metano, hidrógeno-
parte como alimentación del horno de craqueo de ligeros -metano, etano-.
La zona de agotamiento posterior a la introducción de la alimentación
es simple y permite separar los componentes de volatilidad media
-gasóleo de fondos-,
de los más pesados que forman la corriente residual.
La columna no posee hervidor y para provocar la fase vapor
se introduce una corriente de vapor de agua,
inerte de punto de ebullición menor,
que al mezclarse con el líquido de fondo
rebaja considerablemente su punto de burbuja y en parte lo vaporiza.
La corriente residual es sometida aún a una destilación posterior
con ayuda del vapor de agua
utilizando una torre que trabaja a vacío,
de este modo se recupera fuel oil.
Los cortes obtenidos del crudo por destilación,
son a su vez materia prima de diferentes productos,
como puede ser el etileno,
base del polímero producido en mayor tonelaje -polietileno-.
Las olefinas no están presentes en el petróleo y se obtienen por craqueo.
Para la obtención de etileno
se someten hidrocarburos ligeros a craqueo térmico.
Dichos hidrocarburos provienen bien de la rectificación del crudo,
bien de craqueos realizados sobre fracciones pesadas
con objeto de convertirlas en gasolina.
Junto al etileno se producen multitud de productos
por múltiples condensaciones y rupturas del material craqueado,
por ello la corriente del horno de craqueo es destilada
de modo semejante al crudo de una columna de forma y tamaño similar.
La destilación se lleva a cabo a presión atmosférica.
Se separan en cabeza hidrogeno, metano
e hidrocarburos saturados e insaturados
de número de átomos de carbono reducido.
De las columnas auxiliares
se obtienen productos líquidos cuyo peso molecular es más elevado
cuanto más próximo al fondo esté su lugar de captación.
Estos productos, tras tratamiento posterior
engrosan la corriente de gasolinas
y de ellos se obtiene también,
compuestos de gran interés como el benceno.
Los componentes más pesados se retiran en fondos.
Cada corte de la columna es sometido a los tratamientos pertinentes
hasta conseguir los productos deseados,
centrando nuestra atención en los gases de cabeza
se puede seguir su aislamiento por rectificación,
interesante por las peculiaridades del método.
La complejidad del tratamiento para separar la alimentación
en cortes de productos de igual número de átomos de carbono
y de dichos cortes
las olefinas de los hidrocarburos saturados y de las diolefinas
se hace patente por el número de torres de la batería de destilación.
Su diámetro es inferior al de la columna de destilación de crudo,
por ser el caudal tratado mucho menor.
Su elevada altura
es debida al número de platos necesarios en cada separación,
por estar próximos los puntos de ebullición.
En la separación de propileno y propano la columna posee 150 platos.
El primer obstáculo a salvar en la destilación de los gases
es su enfriamiento y licuación.
Dado el bajo punto de ebullición de los componentes,
a presión atmosférica necesitan un tratamiento de compresión
-expansión para licuar-.
Hidrogeno y metano permanecen en fase gas
y una vez separados de los líquidos
se someten de nuevo a compresión-expansión,
si se desea licuar el metano y aislarlo del hidrogeno.
La fracción licuada siempre está impurificada por metano,
que es necesario eliminar en primer lugar,
la columna donde se lleva a cabo esta separación se llama desmetilizadora.
De nuevo hay que dar solución al problema de licuar el metano
para devolver reflujo en cabeza,
para ello el metano gas
debe ceder calor a una corriente líquida haciéndola hervir,
esto obliga a que la presión en la desmetilizadora
sea lo suficientemente alta como para que el metano de cabeza
tenga una temperatura superior al etileno líquido a presión menor,
que se utiliza como refrigerante.
El paso siguiente tiene como objetivo
separar la fracción de moléculas de dos átomos de carbono del resto,
se realiza en la columna llamada desetanizadora.
Dicha columna también trabaja a presión elevada
puesto que su reflujo, mezcla de etano y etileno,
debe ser licuado cediendo calor
a una corriente de propileno líquido a menor presión,
a la que hace hervir.
La separación del etileno del etano,
una vez hidrogenado el acetileno formado en el craqueo,
se realiza en otra columna que trabaja a presión
y la diferencia entre los puntos de ebullición
permite una separación relativamente cómoda,
el etileno líquido intercambia calor una vez expandido.
La fracción C3, aislada de modo semejante a las anteriores,
puede estar constituida por cinco componentes
cuyos puntos de ebullición son semejantes,
una vez aislada, se separa de una primera rectificación
propileno de gran pureza,
y en una segunda columna se destilan los fondos del primer tratamiento
para beneficiar el resto del propileno.
En ocasiones al destilar una mezcla de dos compuestos
se llega, no a un compuesto puro,
si no a una mezcla con composición distinta a la alimentación
y que posee un punto de ebullición menor
que cualquiera de sus componentes puros
-azeótropo de mínimo punto de ebullición-,
o punto de ebullición superior al de ambos componentes
-azeótropo de máximo punto de ebullición-,
éste hecho impide la separación de los componentes.
En general cuando existe azeótropo se recurre a tratamientos especiales.
En ocasiones ambos componentes se destilan
en presencia de un tercer compuesto -un disolvente-,
que debe cumplir las siguientes condiciones:
Poseer un punto de ebullición inferior al de los solutos
y formar un azeótropo ternario de punto de ebullición mínimo.
En la destilación el azeótropo saldrá en la cabeza de la torre,
por fondo se obtiene el compuesto más preciado puro.
En el condensado el azeótropo una vez enfriado debe formar dos capas,
una fase que contiene mayoritariamente al disolvente
y que se introduce como reflujo,
y una capa enriquecida en el segundo componente.
Debido a la formación del azeótropo ternario
se llama a esta separación destilación azeotrópica.
Éste método es el empleado en la obtención de etanol absoluto.
Como es sabido por fermentación de azucares, almidón, madera, etc.,
se puede llegar a una mezcla rica en etanol.
Por destilación se puede separar un azeótropo de etanol agua
de 95% de pureza en el alcohol.
Para aquellas aplicaciones que requieren del producto anhidro,
es necesario destilarlo adicionando benceno a la alimentación.
De este modo se consigue en fondos una corriente de etanol puro
y en cabeza un azeótropo ternario
que una vez enfriado se divide en dos fases:
La bencénica que se recicla a la columna,
y la acuosa con un débil contenido en alcohol
y que se devuelve a la primera columna para beneficiar.
Se podrían enumerar muchos otros procedimientos
que utiliza la destilación
como método para separar y purificar productos,
ya que ésta técnica, aún siendo una de las más antiguas conocidas,
no se ha visto desplazada por nuevas operaciones.