Como ingeniero o estudiante de ingeniería, siempre está buscando formas de separar y purificar mezclas líquidas que sean rápidas y fáciles.
Pero es posible que no conozca la destilación azeotrópica.
Este proceso no solo separa mezclas, sino que también puede producir componentes puros, lo cual es difícil de hacer con los métodos de destilación tradicionales.
La destilación azeotrópica es un proceso complicado pero interesante que se ha vuelto muy importante en las industrias química y de ingeniería.
En este artículo, explicaré cómo funciona la destilación azeotrópica, así como sus beneficios, inconvenientes y usos comunes.
Con este conocimiento, podrá llevar sus técnicas de separación al siguiente nivel.
Introducción a la destilación azeotrópica
Definicion formal:
Un proceso por el cual una mezcla líquida se separa en componentes puros con la ayuda de una sustancia o solvente adicional.
La destilación azeotrópica es una forma de separar las partes de una mezcla haciendo un azeótropo, que es una mezcla de las partes que hierve a la misma temperatura.
No se puede usar la destilación para separar este tipo de mezcla en sus partes porque todas las partes tienen la misma cantidad de vapor y líquido.
La destilación extractiva, por otro lado, es una forma similar de separar mezclas, pero en lugar de un agente de arrastre, utiliza un solvente para separar las mezclas.
Destilación azeotrópica
En la destilación azeotrópica, se utiliza un arrastrador para cambiar la volatilidad de las diferentes partes de la mezcla, lo que permite separarlas.
Al combinar uno o más de los componentes con el agente de arrastre, se obtiene un nuevo azeótropo.
Este nuevo azeótropo se puede separar de la mezcla original por destilación fraccionada.
El arrastrador suele ser una parte de la mezcla que tiene un punto de ebullición bajo y una volatilidad relativa alta en comparación con las otras partes.
Si la mezcla forma un azeótropo de punto de ebullición mínimo, que es el azeótropo con el punto de ebullición más bajo, el agente de arrastre se combinará con la parte más volátil de la mezcla original para formar un azeótropo.
En este caso, el azeótropo con el punto de ebullición más bajo que se forma cuando se agrega el agente de arrastre se evapora primero.
Esto se llama el destilado.
De lo contrario, si se forma un azeótropo con el punto de ebullición máximo con el agente de arrastre, la parte más volátil de la mezcla original se evaporará primero.
Esto hace posible que la destilación fraccionada separe las partes de la mezcla original.
Destilación extractiva
En la destilación extractiva, cada mezcla debe usar un solvente de separación diferente y los solventes no deben tender a formar un azeótropo.
El solvente cambia el equilibrio líquido-vapor de la mezcla, lo que permite separar las partes.
La destilación extractiva se puede utilizar para separar mezclas que tienden a formar azeótropos, lo que no es posible con la destilación azeotrópica.
Mezclas de ebullición constante
Una mezcla que hierve a una velocidad constante, también llamada mezcla "azeotrópica", tiene efectos sobre la destilación fraccionada de mezclas menos que ideales (azeotropos).
Si se rompe la Ley de Raoult de forma positiva, se forma una curva de presión de vapor con un valor máximo que no es puro A ni puro B.
Si estas mezclas tienen mucho vapor, sus puntos de ebullición serán bajos.
Las moléculas se mueven fácilmente y la destilación fraccionada por sí sola no es suficiente para obtener etanol puro porque aún tendrá agua y otras impurezas.
El arte de las separaciones complicadas: exploración de la destilación azeotrópica
¿Aún es difícil de conseguir y difícil de entender? Déjame cambiar un poco el punto de vista:
¿Está cansado de los mismos viejos y aburridos procesos de destilación que simplemente separan las mezclas sin agregar ningún estilo adicional? ¿Quiere que sus técnicas de separación sean más difíciles y confusas de lo necesario? Bueno, ¡tengo la respuesta para ti! La destilación azeotrópica es un proceso que toma una simple separación y la convierte en un laberinto de sustancias y solventes adicionales.
¿Por qué usar una sola cosa para separar mezclas cuando puedes usar dos o tres? ¿Quién quiere ser simple cuando puede ser complicado? Destilación azeotrópica: a veces, la mejor manera de limpiar sus piezas es hacer que el proceso sea lo más complicado posible.
OK, eso fue solo una broma disfrazada de comercial de televisión. Ahora volvamos a la explicación.
El proceso de destilación azeotrópica
La destilación azeotrópica tiene muchas ventajas sobre otras formas de separar cosas, como lo fácil que es separar el agente de arrastre y el producto que desea, lo fácil que es de usar, la poca energía que usa y lo barato que es.
Tipos de entrenadores
Para la destilación azeotrópica, existen tres tipos de agentes de arrastre: homogéneos, heterogéneos y extractivos.
Los agentes de arrastre homogéneos pueden mezclarse con todos los componentes de la alimentación, pero los agentes de arrastre heterogéneos forman dos fases líquidas que no se pueden mezclar.
Los agentes de arrastre extractivos no forman un azeótropo con ninguno de los componentes del alimento.
En cambio, eliminan solo los componentes más polares o menos polares en función de su polaridad.
Destilación azeotrópica homogénea y heterogénea
Hay dos tipos de destilación azeotrópica, denominadas homogénea y heterogénea, que dependen de cómo interactúa el agente de arrastre con la mezcla de alimentación.
La destilación azeotrópica homogénea es más fácil de usar y más eficiente que la destilación azeotrópica heterogénea porque el agente de arrastre puede mezclarse con todos los componentes de la alimentación.
La destilación azeotrópica heterogénea, por otro lado, utiliza un arrastrador que no puede mezclarse con ninguna de las partes de la mezcla de alimentación.
Esto puede hacer que la columna falle con pequeños cambios de presión o que el decantador se apague con pequeñas fugas.
Por lo tanto, se ve más afectado por la forma en que se ejecuta que la destilación azeotrópica homogénea.
Limitaciones de la destilación azeotrópica
La destilación azeotrópica tiene algunos beneficios, pero también tiene algunos problemas.
Algunas soluciones no se pueden separar tan bien por destilación si tienen azeótropos en sus estados de equilibrio vapor-líquido.
Además, la elección del agente azeotrópico puede tener un gran efecto en el proceso y, si no se maneja adecuadamente, puede contaminar el medio ambiente.
Además, el uso de la destilación azeotrópica aún consume mucha energía y es posible que no siempre produzca el nivel de pureza que se necesita para los productos objetivo.
Aplicaciones de la destilación azeotrópica
Deshidratación de etanol
Una de las formas más conocidas en que se utiliza la destilación azeotrópica es para eliminar el agua de las mezclas de etanol y agua.
La mezcla azeotrópica va a la última columna, que es donde ocurre la destilación azeotrópica.
En el pasado, se usaban muchos transportadores diferentes para esto, pero el benceno se usaba más hasta que se descubrió que causaba cáncer.
La mayoría de las veces, el ciclohexano se usa para romper el azeótropo de etanol-agua en la ciencia moderna.
Este proceso es muy importante en la industria del etanol combustible, donde se debe sacar el agua del etanol para evitar que los motores se averíen y aumentar la cantidad de etanol en las mezclas de combustible.
Destilación azeotrópica heterogénea
Agregar un agente de arrastre que hace una fase separada es parte de un subconjunto de métodos de destilación azeotrópica industrial.
Similar a la destilación extractiva, este proceso de agregar un agente de arrastre que crea una nueva fase se llama arrastre.
Una forma común de usar este método es mezclar benceno con agua y etanol para hacer un nuevo azeótropo heterogéneo con un punto de ebullición más bajo que se puede separar de la manera habitual.
Este método es especialmente útil para eliminar las impurezas de los disolventes orgánicos, limpiar los aceites esenciales y recuperar los hidrocarburos.
Otros usos
La destilación azeotrópica tiene varios usos en la industria además de la deshidratación de etanol y la destilación azeotrópica heterogénea, como:
- Los isómeros, que tienen casi las mismas propiedades físicas y químicas, se pueden separar mediante destilación azeotrópica.
- La destilación azeotrópica se usa en las industrias farmacéutica, química y de polímeros para recuperar los solventes de las corrientes de desechos.
- Los gases ácidos se extraen de las corrientes de gas natural mediante un proceso llamado destilación azeotrópica.
- Separación de aceites esenciales: La destilación azeotrópica se utiliza para separar y limpiar los aceites esenciales de la materia vegetal.
- Eliminación de agua de disolventes: La destilación azeotrópica se utiliza en las industrias química y farmacéutica para eliminar el agua de los disolventes.
Desafíos en la destilación azeotrópica
La destilación azeotrópica es una buena manera de separar mezclas azeotrópicas, pero presenta algunos desafíos que deben abordarse para obtener los mejores resultados.
Selección de Entrenador:
En la síntesis y diseño conceptual de los procesos AD, la elección de un arrastrador es muy importante porque determina el orden de separación.
El incorporador debe formar un azeótropo fuerte con uno de los componentes de la mezcla y ser fácil de separar del producto que desea.
La elección del agente de arrastre afecta la calidad y la pureza del producto y, si no se usa correctamente, también puede contaminar el medio ambiente.
Efectos del exceso de entrenador:
Agregar una cantidad excesiva de agente de arrastre puede provocar un aumento en el consumo de energía, ya que el agente de arrastre adicional debe separarse del producto deseado.
Esto puede aumentar el costo de fabricación del producto y también puede disminuir su calidad.
En algunos casos, un exceso de agente de arrastre puede dar lugar a la formación de un tercer azeótropo, lo que puede complicar el proceso de separación.
Entrenador insuficiente:
Si usa muy poco agente de arrastre, es posible que el producto no se separe por completo o que no sea tan puro.
Por lo tanto, en la destilación azeotrópica, la cantidad de agente de arrastre debe optimizarse para que se pueda alcanzar el nivel deseado de separación y pureza con la menor cantidad de energía y costo.
Cómo se hacen los azeótropos:
Cuando un agente de arrastre cambia la volatilidad relativa de una mezcla azeotrópica, forma un azeótropo de ebullición máxima o de ebullición mínima.
Agregar un agente de arrastre puede mejorar aún más la pureza de un componente azeotrópico.
Pero si elige demasiado o muy poco agente de arrastre, puede cambiar qué tan bien funciona el proceso de separación.
Después del Punto Azeotrópico:
Es posible destilar una mezcla azeotrópica más allá de su punto azeotrópico, pero este proceso utiliza técnicas de separación costosas alternativas como la destilación por cambio de presión.
En lugar de tratar de destilar más allá del punto azeotrópico, es importante encontrar la cantidad adecuada de agente de arrastre para obtener una buena separación.
Destilación azeotrópica en la práctica
Incorporadores en destilación azeotrópica
Debido a que puede formar un azeótropo de bajo punto de ebullición con agua, el benceno se usó a menudo como agente de arrastre en la destilación de azeótropos.
Sin embargo, el tolueno es mejor que el benceno porque el benceno puede causar cáncer.
Un arrastrador funciona bien si se puede combinar con uno de los componentes de la mezcla de alimentación para formar un nuevo azeótropo.
Esto cambia la volatilidad relativa de los componentes y permite separarlos.
El arrastrador debe ser fácil de separar del producto que desea, y puede recuperarlo por destilación, decantación o algún otro método.
En la destilación azeotrópica, el efecto de demasiado agente de arrastre depende del sistema que se utilice.
Cuando se agrega demasiado agente de arrastre, la cantidad de energía utilizada aumenta porque el agente de arrastre adicional debe separarse del producto deseado.
Esto puede aumentar el costo de fabricación del producto y también puede disminuir su calidad.
A veces, demasiado agente de arrastre puede hacer que se forme un tercer azeótropo, lo que puede dificultar el proceso de separación.
Por otro lado, si usa muy poco agente de arrastre, es posible que el producto no se separe por completo o que no sea tan puro.
Por lo tanto, se debe usar la cantidad correcta de agente de arrastre para obtener el nivel de separación y pureza necesarios con la menor cantidad de energía y costo.
Los solventes eutécticos profundos (DES) se están volviendo más populares como agentes de arrastre en la destilación azeotrópica porque son mejores para el medio ambiente que los solventes tradicionales.
Las mezclas azeotrópicas como benceno-ciclohexano y acetonitrilo-agua son fáciles de separar con DES.
DES también se puede usar en una técnica llamada "destilación extractiva", que es similar a la destilación e implica agregar un solvente para sacar una de las partes de la mezcla de alimentación.
Destilación azeotrópica en comparación con la destilación al vapor
Con la destilación al vapor, los materiales sensibles al calor, como los compuestos aromáticos naturales, se separan de los materiales orgánicos.
La destilación azeotrópica, por otro lado, se usa para separar las partes de una mezcla azeotrópica.
Las mezclas que son azeotrópicas son difíciles de separar con la destilación tradicional porque sus puntos de ebullición se mantienen iguales y los vapores son los mismos que los de la mezcla líquida.
Dado que la destilación al vapor se usa para separar materiales que son sensibles al calor, es difícil decir cuál es la temperatura azeotrópica del agua y el tolueno.
El tolueno y el agua, por otro lado, forman un azeótropo a 84,1 °C que se compone de 22,85 % de agua y 77,15 % en peso de tolueno.
Dado que actúa como un solo compuesto, una mezcla de tolueno y agua con esta composición no puede separarse más por destilación simple.
Puede separar esta mezcla usando destilación azeotrópica con un arrastrador o destilación extractiva con un solvente.
Video: Desplazamiento y separación de azeótropos
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casos de uso
| Utilizada en: | Descripción: |
|---|---|
| agua de limpieza | La destilación azeotrópica se usa a menudo para limpiar el agua, especialmente en las industrias de semiconductores y electrónica donde se necesita agua ultrapura. Con la ayuda de un arrastrador, la destilación azeotrópica puede producir agua con muy pocas impurezas que se puede utilizar en situaciones delicadas. |
| Recuperación de disolventes | La destilación azeotrópica se utiliza para separar los disolventes de las mezclas de reacción. Esto permite recuperar y volver a utilizar disolventes caros o difíciles de encontrar. Por ejemplo, la destilación azeotrópica se puede usar para separar el etanol del agua, que luego se puede usar para fabricar biocombustibles o para otros fines industriales. |
| extracción de aceite esencial | Una forma popular de obtener aceites esenciales de las plantas es usar la destilación azeotrópica. Usando un arrastrador, la destilación azeotrópica puede obtener más aceites esenciales de las plantas que la destilación al vapor tradicional. Esto significa que los aceites serán de mayor calidad y rendirán más. |
| Purificación de polímeros | La destilación azeotrópica se puede utilizar para eliminar las impurezas de los polímeros que podrían cambiar sus propiedades o su funcionamiento. Por ejemplo, la destilación azeotrópica se puede usar para limpiar el poliestireno al eliminar los monómeros sobrantes y otras impurezas que podrían cambiar la forma en que funciona el polímero. |
| Producción farmacéutica | La destilación azeotrópica se usa a menudo para separar y limpiar mezclas de reacción durante la producción de productos farmacéuticos. Por ejemplo, la destilación azeotrópica se puede utilizar para separar y limpiar mezclas de reacción en la fabricación de antibióticos, lo que da como resultado productos de alta pureza. |
Conclusión
En conclusión, la destilación azeotrópica es una forma útil de separar mezclas complicadas en sus partes puras.
Es una herramienta poderosa para ingenieros y científicos debido a su capacidad única para fabricar componentes puros rápidamente.
Pero, como cualquier método de separación, tiene sus límites y necesita una cuidadosa reflexión sobre la composición de la mezcla, la elección del agente de arrastre y las condiciones del proceso para que funcione bien.
A medida que continúe investigando las posibilidades de la destilación azeotrópica, tenga en cuenta que este proceso no solo es un desafío técnico, sino también una oportunidad para la resolución creativa de problemas y nuevas ideas.
Si piensa en la destilación azeotrópica de la manera correcta, puede conducir a nuevos descubrimientos e ideas de ingeniería.
Así que mantén la mente abierta y prueba cosas nuevas. Hay muchas opciones.
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