|
Teoría de la
destilación
En la mezcla simple de dos
líquidos solubles entre sí, la volatilidad de cada uno es perturbada por la presencia
del otro. En este caso, el punto de ebullición de una mezcla al 50%, por ejemplo,
estaría a mitad de camino entre los puntos de ebullición de las sustancias puras, y el
grado de separación producido por una destilación individual dependería solamente de la
presión de vapor, o volatilidad de los componentes separados a esa temperatura. Esta
sencilla relación fue anunciada por vez primera por el químico francés François Marie
Raoult (1830-1901) y se llama ley de Raoult. Esta ley sólo se aplica a mezclas de
líquidos muy similares en su estructura química, como el benceno y el tolueno. En la
mayoría de los casos se producen amplias desviaciones de esta ley. Si un componente sólo
es ligeramente soluble en el otro, su volatilidad aumenta anormalmente. En el ejemplo
anterior, la volatilidad del alcohol en disolución acuosa diluida es varias veces mayor
que la predicha por la ley de Raoult. En disoluciones de alcohol muy concentradas, la
desviación es aún mayor: la destilación de alcohol de 99% produce un vapor de menos de
99% de alcohol. Por esta razón el alcohol no puede ser concentrado por destilación más
de un 97%, aunque se realice un número infinito de destilaciones.
Aparato de
destilación
Técnicamente el término alambique
se aplica al recipiente en el que se hierven los líquidos durante la destilación, pero a
veces se aplica al aparato entero, incluyendo la columna fraccionadora, el condensador y
el receptor en el que se recoge el destilado. Este término se extiende también a los
aparatos de destilación destructiva o craqueo. Los alambiques para trabajar en el
laboratorio están hechos normalmente de vidrio, pero los industriales suelen ser de
hierro o acero. En los casos en los que el hierro podría contaminar el producto se usa a
menudo el cobre, y los alambiques pequeños para la destilación de whisky están hechos
frecuentemente de vidrio y cobre. A veces también se usa el término retorta para
designar a los alambiques.
Destilación
fraccionada
En el ejemplo anterior, si se
consigue que una parte del destilado vuelva del condensador y gotee por una larga columna
a una serie de placas, y que al mismo tiempo el vapor que se dirige al condensador
burbujee en el líquido de esas placas, el vapor y el líquido interaccionarán de forma
que parte del agua del vapor se condensará y parte del alcohol del líquido se
evaporará. Así pues, la interacción en cada placa es equivalente a una redestilación,
y construyendo una columna con el suficiente número de placas, se puede obtener alcohol
de 95% en una operación individual. Además, introduciendo gradualmente la disolución
original de 10% de alcohol en un punto en mitad de la columna, se podrá extraer
prácticamente todo el alcohol del agua mientras desciende hasta la placa inferior, de
forma que no se desperdicie nada de alcohol.
Este proceso, conocido como
rectificación o destilación fraccionada, se utiliza mucho en la industria, no sólo para
mezclas simples de dos componentes (como alcohol y agua en los productos de fermentación,
u oxígeno y nitrógeno en el aire líquido), sino también para mezclas más complejas
como las que se encuentran en el alquitrán de hulla y en el petróleo. La columna
fraccionadora que se usa con más frecuencia es la llamada torre de burbujeo, en la que
las placas están dispuestas horizontalmente, separadas unos centímetros, y los vapores
ascendentes suben por unas cápsulas de burbujeo a cada placa, donde burbujean a través
del líquido. Las placas están escalonadas de forma que el líquido fluye de izquierda a
derecha en una placa, luego cae a la placa de abajo y allí fluye de derecha a izquierda.
La interacción entre el líquido y el vapor puede ser incompleta debido a que puede
producirse espuma y arrastre de forma que parte del líquido sea transportado por el vapor
a la placa superior. En este caso, pueden ser necesarias cinco placas para hacer el
trabajo de cuatro placas teóricas, que realizan cuatro destilaciones. Un equivalente
barato de la torre de burbujeo es la llamada columna apilada, en la que el líquido fluye
hacia abajo sobre una pila de anillos de barro o trocitos de tuberías de vidrio.
La única desventaja de la
destilación fraccionada es que una gran fracción (más o menos la mitad) del destilado
condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra
vez, con lo cual hay que suministrar más calor. Por otra parte, el funcionamiento
continuo permite grandes ahorros de calor, porque el destilado que sale puede ser
utilizado para precalentar el material que entra.
Cuando la mezcla está formada
por varios componentes, estos se extraen en distintos puntos a lo largo de la torre. Las
torres de destilación industrial para petróleo tienen a menudo 100 placas, con al menos
diez fracciones diferentes que son extraídas en los puntos adecuados. Se han utilizado
torres de más de 500 placas para separar isótopos por destilación.
Destilación por
vapor
Si dos líquidos insolubles se
calientan, ninguno de los dos es afectado por la presencia del otro (mientras se les
remueva para que el líquido más ligero no forme una capa impenetrable sobre el más
pesado) y se evaporan en un grado determinado solamente por su propia volatilidad. Por lo
tanto, dicha mezcla siempre hierve a una temperatura menor que la de cada componente por
separado. El porcentaje de cada componente en el vapor sólo depende de su presión de
vapor a esa temperatura. Este principio puede aplicarse a sustancias que podrían verse
perjudicadas por el exceso de calor si fueran destiladas en la forma habitual.
Destilación al
vacío
Otro método para destilar
sustancias a temperaturas por debajo de su punto normal de ebullición es evacuar
parcialmente el alambique. Por ejemplo, la anilina puede ser destilada a 100 °C
extrayendo el 93% del aire del alambique. Este método es tan efectivo como la
destilación por vapor, pero más caro. Cuanto mayor es el grado de vacío, menor es la
temperatura de destilación. Si la destilación se efectúa en un vacío prácticamente
perfecto, el proceso se llama destilación molecular. Este proceso se usa normalmente en
la industria para purificar vitaminas y otros productos inestables. Se coloca la sustancia
en una placa dentro de un espacio evacuado y se calienta. El condensador es una placa
fría, colocada tan cerca de la primera como sea posible. La mayoría del material pasa
por el espacio entre las dos placas, y por lo tanto se pierde muy poco.
Destilación
molecular centrífuga
Si una columna larga que
contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y se coloca en posición vertical,
se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una
centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que
separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que
las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz. Por ejemplo, la separación del
hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en moléculas que contienen dos isótopos diferentes
del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por medio de la destilación
molecular centrífuga.
Sublimación
Si se destila una sustancia
sólida, pasándola directamente a la fase de vapor y otra vez a la fase sólida sin que
se forme un líquido en ningún momento, el proceso se llama sublimación. La sublimación
no difiere de la destilación en ningún aspecto importante, excepto en el cuidado
especial que se requiere para impedir que el sólido obstruya el aparato. La
rectificación de dichos materiales es imposible. El yodo se purifica por sublimación.
Destilación
destructiva
Cuando se calienta una sustancia
a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos
productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama
destilación destructiva. Las aplicaciones más importantes de este proceso son la
destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco,
y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico,
la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por
procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo
es similar a la destilación destructiva.
|
619547048.
