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La destilación es una operación unitaria que consiste en separar dos o más componentes de una mezcla líquida, aprovechando las diferencias en sus presiones de vapor.
La mezcla líquida desprenderá vapores más ricos en componentes volátiles. Cuando la mezcla a destilar contiene sólo dos componentes se habla de destilación binaria, y si contiene más, recibe el nombre de destilación multicomponente. La destilación puede llevarse a cabo de muchos modos, distinguiéndose dos tipos básicos de operación: destilación sin reflujo o simple y destilación con reflujo, comunmente llamada rectificación.
Destilación simple
Es la operación de hervir el líquido de un recipiente (la caldera) condensándose los vapores que constituirán el destilado, quedando en la caldera el residuo. Esta operación puede llevarse a cabo de forma contínua, alimentando la caldera y extrayendo el residuo contínuamente, o de forma discontínua con lo que las composiciones de vapor y líquido van cambiando con el tiempo.
Destilación súbita o flash
Es una forma de destilación simple en la que se calienta el alimento a temperatura elevada pero manteniendo una presión elevada, de manera que no hierva el líquido. A continuación, se expansiona el líquido recalentado en una columna hasta una presión menor, con la que vaporizarán los componentes más volátiles. Abandonará la columna una fase vapor rica en volátiles y una fase líquida rica en no volátiles. Ambas fases estarán en equilibrio en la condiciones de presión y temperatura de la columna.
Destilación con reflujo o rectificación
Es uno de los tipos más importantes de destilación, el vapor que abandona la cabeza de la columna se condensa y una fracción del líquido condensado se devuelve a la columna -fracción que constituye el reflujo- el resto se retira como producto destilado. En el interior de la columna se pone en contacto el vapor ascendente con el líquido descendente. En un nivel dado de la columna, estas dos corrientes no estan en equilibrio entre sí, por lo que hay una transferencia de materia, pasan los componentes más volátiles del líquido al vapor y los componentes menos volátiles del vapor al líquido. Esta transferencia provoca que el vapor se enriquezca en los componentes más volátiles a medida que asciende por la columna.
Columnas de destilación
Los distintos tipos de destilación se llevan a cabo en las columnas de destilación, que son recipientes cilíndricos verticales con una entrada de alimentación por un punto dado de la columna y con una salida por la parte superior o cabeza para extraer los vapores a condensar. Estos vapores pueden volver en parte a la columna, como reflujo, a través de otra entrada por la cabeza.
Se dispone también de una salida inferior en la base de la columna o cola para retirar residuos de la destilación. Para asegurar una adecuado contacto entre el vapor y el líquido se han diseñado varios dispositivos de laboratorio o industriales basados en dos criterios:
- Columnas de contacto contínuo entre vapor y líquido o columnas de relleno.
- Columnas de contacto por etapas o columnas de platos.
Columnas de platos
Los platos son superficies planas que dividen las columna en una serie de etapas. Tienen por objeto retener una cierta cantidad de líquido en su superficie a través de la cual se hace burbujear el vapor que asciende de la caldera consiguiéndose así un bien contacto entre el vapor y el líquido.
El líquido del plato cae el plato inferior por un rebosadero situado en un extremo del plato. Según la forma del dispositivo que permite el paso del vapor a través del líquido, se distingue entre platos perforados (con simples agujeros), platos de campanas y platos de válvulas. En los platos normalmente no se llega a alcanzar el equilibrio entre el líquido y el vapor que abandona el plato, es decir, la eficacia del plato no es del 100. Un plato ideal o teórico es aquel en el que se alcanza el equilibrio entre las corrients que salen del plato.
Columnas de relleno
Son columnas de relación diámetro altura normalmente baja, llenas en su interior de elementos sólidos pequeños, en relación con el diámetro de la columna. Estos elementos de relleno son inertes a las fases circulantes y están distribuidos al azar u ordenadamente. La corriente de líquido al caer sobre ellos se rompe en pequeñas corrientes y se pone en contacto íntimo con el vapor que circula en sentido contrario. Hay muchos tipos de rellenos comerciales, y entre otras características se persigue que tenga una elevada área superficial por unidad de volumen, poco peso, buena resistencia mecánica y que los elementos no se compacten entre sí.
La destilación se emplea en la separación de componentes de petróleo, recuperación de disolventes, fabricación de licores, etc..
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La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en poner en contacto un gas con un líquido, para que este se disuelva determinados componentes del gas, dejándolo libre de los mismos.
La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.
La desorción es la operación unitaria contraria a la absorción, en ella, un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte, siendo eliminado del líquido.
Estas operaciones se pueden llevar a cabo en columnas de platos y de relleno y también en torres de pulverización, que son columnas vacías en las que el líquido entra a presión por un sistema de ducha, circulando al gas en sentido contrario.
La absorción se emplea en la industria para la eliminación de gases ácidos ($CO_{2},\ SO_{2})$ en corrientes gaseosas, mediane distintas corrientes líquidas (agua, disolución de sosa, aminas).
En el siguente esquema se muestra el interior de una columna de absorción con diferentes tipos de dispositivos de contacto: relleno al azar, rellenos estructurado y platos.
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Es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla -líquido o sólido- en un disolvente selectivo. Se hace la distinción entre la extracción sólido-líquido y la extracción líquido-líquido según que la materia a extraer esté en un sólido o en un líquido. En este último caso el disolvente debe ser inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto. La extracción sólido-líquido se conoce también como lixiviación o lavado, según la aplicación a la que se la destine. Si se pretende eliminar un compuesto no deseado de un sólido se habla de lavado, si el compuesto extraido es el valioso se denomina lixiviación.
La extracción líquido-líquido se puede llevar a cabo de distintas formas, normalmente se trabaja en contínuo y cabe distinguir dos modos básicos de contacto: contacto por etapas y contacto contínuo.
El contacto por etapas puede realizarse de distintas maneras según como se mezcle el disolvente extractor con el líquido extracto. En el contacto simple el disolvente extractor se reparte en partes iguales en cada una de las etapas. Mientras que el el contacto a contracorriente el disolvente extractor pasa de etapa a etapa en sentido contrario al líquido que está siendo refinado. El extracto es la corriente de disolvente extractor una vez que ha recibido el soluto. El refinado es la corriente de alimentación una vez que se le ha extraído el soluto.
La extracción líquido-líquido se usa mucho en la industria del petróleo para separar los hidrocarburos alifáticos de los aromáticos. La separación de los asfaltos del petróleo también se realiza por extracción con propano a baja temperatura. Como ejemplo de extracción sólido-líquido están la extracción de grasas vegetales y animales.
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Consiste en la eliminación de algunos componentes de una fase fluida mediante un sólido que los retiene. La adsorción es un fenómeno de superficie. Las moléculas, átomos o iónes adsorbidos están confinados en la superficie de los poros del sólido, unidos por fuerzas de Van der Waals o por verdaderos enlaces químicos. En este último caso se habla de quimiadsorción.
Solamente los sólidos que poseen una superficie específica (área superficial por unidad de peso) elevada serán adsorbentes de interés (carbón activo, gel de sílice, alúmina, etc...)
Como dato indicar que un gramo de carbón activo dispone de una superfice adsorbente superior a 1000 $m^2$.
La operación inversa es la desorción, usada para la regeneración del adsorbente y para la recuperación del soluto, si éste es económicamente interesante. La operación de adsorción se realiza colocando dos lechos adsorbentes en paralelo. En un momento determinado uno de ellos está en operación y el otro se está regenerando.
La adsorción se emplea para eliminar la humedad de una corriente gaseosa. Se utiliza como adsorbente gel de sílice. También se emplea para eliminar olores de corrientes gaseosas, en este caso se usa carbón activo como adsorbente. Para recuperar disolventes del aire ambiente y a nivel doméstico los filtros de carbón activo se utilizan para eliminar malos olores y sabores del agua.
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Es una operación unitaria que consiste en la sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros que forman, inicialmente, parte de la estructura de un sólido, que es la resina de intercambio iónico.
Las resinas pueden se catiónicas o aniónicas, según intercambien cationes o aniones.
Se aplica a todo tipo de proceso de acondicionamiento de agua a nivel industrial (agua para calderas) o doméstica (lavavajillas). El ablandamiento de agua consiste en la eliminación de los cationes divalentes calcio y magnesio del agua, con lo que disminuye su dureza. Se realiza el intercambio en una columna catiónica, dondo se sustituyen los iones indicados por sodio, que no forma sales insolubles.
Las resinas con el paso del agua dura se agotan y deben regenerarse con la operación inversa, es decir, haciendo circular a su través una disolución saturada de NaCl.
La desmineralización del agua, es la eliminación de los iones que contenga. Se lleva a cabo con dos columnas consecutivas una catiónica y otra aniónica. En la primera se sustituyen los cationes por protones y en la segunda los aniones por iones hidróxido. Las resinas se regeneran respectivamente con ácido sulfúrico e hidróxido de sodio.
Resinas catiónicas y aniónicas.
En la parte superior de la imagen se muestra una resina catiónica y en la parte inferior la aniónica.
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Los procesos de separación por membranas son más recientes que las operaciones básicas clásicas citadas anteriormente. Estos procesos de separación no se basan en el equilibrio termodinámico entre fase, sino en fenómenos cinéticos aprovechando una barrera semipermeable que dificulta o impide a circulación a su través de algunos de los componentes de la mezcla.
Las operaciones con membranas efectúan la separación de los componentes de una mezcla aprovechando alguna de las siguientes propiedades:
- Difusión de gases a través de un sólido, donde la difusividad depende del peso molecular del gas y del tamaño de los poros del sólido.
- Permeación de gases, es la separación de gases por su naturaleza química al pasar a través de una membrana sólida no porosa, en la cual tienen diferente difusividad y solubilidad.
- Difusión de moléculas disueltas en líquido a través de una membrana porosa (diálisis). En caso de utilizar la corriente eléctrica como fuerza impulsora se denomina electrodiálisis y es solo aplicable a especies iónicas.
- Ósmosis inversa, donde se utilizan membranas semipermeables que permiten el paso de los disolventes pero impiden el paso de solutos. La fuerza impulsora es un gradiente de presión superior e inverso a la presión osmótica.
- Ultrafiltración, se utilizan membranas poliméricas semipermeables que permiten el paso selectivo de ciertas moléculas según su tamaño, forma o estructura química.
Diálisis
Se utiliza en la industria para separar ácido sulfúrico de sus mezclas con sulfatos de cobre y niquel en disolución. La recuperación de hidróxido de sodio después de tratamiento de la celulosa en la industria papelera. Reducción del contenido alcoholico de la cerveza o sidra, y por supuesto la eliminación de tóxicos de la sangre (urea, ácido úrico......) proceso conocido como hemodiálisis.
Ósmosis inversa
Una de sus aplicaciones más imprtantes es la potabilización del agua del mar, separando las sales disueltas, ya que solo el agua puede atravesar la membrana semipermeable.
Ultrafiltración
Se emplea en la separación de solutos con peso molecular elevado, como proteínas, polímeros, sustancias coloidales. Dos ejemplos industriales son la fabricación del queso y la esterilización de vinos. También es muy utilizada en la potabilización de agua.
