La destilación de una mezcla de agua y etanol produce un destilado enriquecido en etanol y un residuo de fondo enriquecido en agua y en los componentes menos volátiles. La separación es posible porque el etanol hierve a 78,37 °C, mientras que el agua hierve a 100 °C a presión atmosférica; sin embargo, una destilación ordinaria no permite obtener etanol absolutamente puro.
En condiciones habituales, la destilación convencional concentra el etanol hasta aproximadamente el 95-95,6 % y deja cerca de un 4-5 % de agua. Este límite se debe a la formación de un azeótropo etanol-agua, cuya composición de vapor y líquido es prácticamente idéntica, por lo que las destilaciones sucesivas ya no producen una separación adicional eficaz.
Qué es la destilación de agua y etanol
La destilación es uno de los métodos más antiguos y más usados para separar y purificar líquidos. El método consiste en aplicar calor a una mezcla de sustancias hasta que una de ellas pasa a la fase de vapor, seguidamente el vapor se enfría al pasar por un refrigerante donde condensa y el líquido se recoge en un recipiente adecuado.
La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.
En el recipiente inicial quedarán las sustancias menos volátiles o las impurezas. La separación depende de la volatilidad relativa de los componentes y del equilibrio entre las fases líquida y vapor.
Productos obtenidos en la destilación
| Producto | Composición y características | Zona de obtención |
|---|---|---|
| Destilado | Líquido enriquecido en etanol y empobrecido en agua respecto a la mezcla inicial. | Condensador y recipiente receptor. |
| Residuo de fondo | Líquido enriquecido en agua y en sustancias menos volátiles. | Matraz, rehervidor o caldera. |
| Destilado azeotrópico | Mezcla cercana al 95-95,6 % de etanol y 4-5 % de agua, que no puede concentrarse más mediante destilación ordinaria. | Parte superior de una columna de fraccionamiento convencional. |
Cuando se hierve la mezcla de agua y alcohol el vapor contiene una proporción mayor de alcohol que de agua, proporción de disminuye con el tiempo al disminuir la concentración de alcohol en la mezcla.
La destilación se hace para separar el etanol de los demás componentes de la mezcla, que es agua en su mayor parte. Al producir etanol como combustible hay que separarlo completamente del agua, si se quiere mezclar con gasolina, o la mayor parte, si se va a quemar en un motor adaptado.
El producto recogido no tiene necesariamente la misma composición que la mezcla introducida en el matraz. En la primera fracción condensada se concentra el componente más volátil, mientras que el líquido que permanece en el recipiente pierde progresivamente etanol y queda relativamente más rico en agua.
Por qué el etanol se separa parcialmente del agua
La destilación es posible porque al aplicar calor a una mezcla de sustancias, la temperatura sube hasta que se alcanza la temperatura de ebullición del componente más volátil, aunque puede variar gradualmente conforme cambia la composición de la mezcla.
Se llama punto de ebullición a la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión que rodea al líquido. Cuando la temperatura de un líquido alcanza su punto de ebullición, este se transforma en gas.
El concepto fundamental de la destilación del alcohol es la diferencia entre los puntos de ebullición del etanol (78,37°C) y del agua (100°C). A medida que la mezcla líquida se calienta, el etanol se vaporiza primero y se dirige a una columna de refrigeración para condensarse y separarse.
En principio, para que la destilación se lleve a cabo, se debe aumentar la temperatura de la mezcla hasta el punto de ebullición de al menos una de las sustancias que la componen, que será conducida en estado gaseoso hasta un recipiente, que luego será enfriado, debido a lo que el gas se condensará y se transformará nuevamente en líquido.
Composición del vapor y del destilado
La composición del vapor es más rica en etanol que la composición del líquido de partida. Esto explica por qué el primer producto condensado contiene una proporción mayor de alcohol que la mezcla inicial.
Con el alambique de la figura 11-1 y una concentración inicial de 8% de etanol, la mezcla hierve a 200º F. Como muestra la gráfica, el vapor contiene un 43% de etanol.
Al llegar a ese punto hay que redestilar el vapor condensado de la primera destilación, que contiene un 43% de alcohol y un 57% de agua. Esta mezcla hierve a 181º F. El vapor contendrá un 68% de alcohol.
Cada vez que se redestile quedará un poco más puro, pero para conseguir un etanol relativamente puro hay que redestilar muchas veces. La proporción de alcohol disminuye con el tiempo al disminuir la concentración de alcohol en la mezcla que permanece en el recipiente.
El control de la temperatura con un termómetro adecuado es crítico, pues nos indica el principio y el fin de la destilación de cada componente.
Primera destilación: productos esperados
En una destilación simple de una mezcla diluida, el primer destilado contiene una concentración de etanol considerablemente mayor que la alimentación. El residuo contiene una concentración de etanol menor que la inicial y una proporción mayor de agua.
La destilación simple a presión atmosférica con separación completa del componente más volátil, puede aplicarse cuando los puntos de ebullición están suficientemente separados y lejos del punto de descomposición química.
Cuando los puntos de ebullición no están muy separados, el producto obtenido sigue siendo una mezcla pero con una mayor proporción del componente más volátil. Necesitaremos varias destilaciones sucesivas para una separación completa.
En el caso del agua y el etanol, el producto de una sola operación no es etanol puro, porque ambos líquidos forman una mezcla no ideal y sus vapores contienen cantidades apreciables de los dos componentes.
Destilación simple frente a destilación fraccionada
La destilación simple utiliza un único ciclo principal de evaporación y condensación. Es útil cuando los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla difieren en 25 °C o más, pero no garantiza completamente la separación de las sustancias.
La destilación fraccionada de alcohol etílico es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con puntos de ebullición cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento.
La destilación fraccionada es una técnica diseñada para separar mezclas líquidas cuyos componentes poseen puntos de ebullición muy próximos (con una diferencia inferior a 25 °C). Su funcionamiento se basa en el acoplamiento de una columna de fraccionamiento colocada verticalmente entre el matraz de destilación y el refrigerante.
A diferencia de la destilación simple, donde el vapor generado realiza un único ciclo directo de evaporación y condensación para aislar sustancias con temperaturas de ebullición muy distantes, la columna de fraccionamiento permite que ocurran múltiples microciclos sucesivos de evaporación y condensación en una sola operación.
| Método | Diferencia de puntos de ebullición | Producto o aplicación principal | Complejidad |
|---|---|---|---|
| Destilación simple | Alta, generalmente superior a 25-30 °C | Destilado enriquecido en el componente más volátil y residuo con el componente menos volátil. | Baja |
| Destilación fraccionada | Pequeña, con temperaturas de ebullición próximas | Destilado con mayor concentración de etanol y fondos enriquecidos en agua. | Media |
| Destilación al vacío | Variable | Separación a temperaturas de ebullición inferiores a las normales. | Alta |
| Destilación azeotrópica | Nula en el punto azeotrópico | Ruptura del azeótropo mediante un agente de separación o una modificación de las condiciones. | Alta |
Qué ocurre dentro de una columna de fraccionamiento
A medida que los vapores ascienden por el interior de la columna -la cual está rellena de platos o anillos de vidrio-, chocan con las paredes frías, se condensan y vuelven a evaporarse al recibir el calor del vapor ascendente.
Este proceso en cascada enriquece progresivamente la fase de vapor con el componente más volátil (el de menor punto de ebullición), logrando una separación y purificación con una eficiencia considerablemente mayor que la que se obtendría realizando varias destilaciones simples consecutivas.
Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben).
Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido.
Afortunadamente existe un tipo de alambique que realiza varias destilaciones simultaneamente, llamado columna de reflujo o columna rectificadora. Se producen muchas destilaciones simultáneas y la mezcla pierde el alcohol en un proceso continuo.
La figura 11-3 muestra una columna de reflujo añadida al alambique de la figura 11-1. En esta versión de laboratorio la columna de reflujo consiste en un tubo de vidrio con un material de relleno.
El relleno está formado por segmentos cortos de tubo de vidrio de pequeño diámetro. La función del relleno es proporcionar la mayor superficie interna posible.
Al ascender el vapor por la columna se condensa sobre el material de relleno y gotea hacia abajo. El vapor nuevo entra en contacto con el líquido descendente (llamado reflujo) y vuelve a evaporarlo.
Así al ascender por la columna lentamente el vapor se enriquece en alcohol hasta que llega al extremo superior, cuando ya está relativamente puro. Mientras tanto el líquido descendente va perdiendo alcohol.
El límite azeotrópico del sistema etanol-agua
Algunas mezclas no pueden separarse por completo pues forman mezclas azeotrópicas, ocurre cuando a una determinada temperatura el vapor y el líquido tienen la misma composición, destilando sin separación.
Este es el caso de las mezclas etanol-agua, que a 78.2 ºC forman un azeotropo con el 4% de agua, que no se eliminará por muchas veces que repitamos la destilación.
Sin embargo el agua y el etanol no forman lo que se llama una “mezcla ideal” y la separación no puede hacerse en un solo paso. La mezcla líquida cuyo punto de ebullición es constante presenta una composición de vapor idéntica a la composición del líquido en el punto azeotrópico.
Sin embargo con el equipamiento descrito la mayor pureza que se puede conseguir es de 95,6%, por muy bien que se haga. El 4,4% restante es agua que no se puede separar porque forma con el etanol una mezcla llamada azeotropo, cuyo punto de ebullición es una fracción de grado menor que el del alcohol puro, lo que hace imposible la separación por destilación ordinaria.
Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede purificarse a aproximadamente el 95%. Una vez se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla también es de 95/5% etanol-agua, por lo tanto destilar de nuevo no es efectivo.
| Situación | Producto obtenido |
|---|---|
| Mezcla inicial diluida | Vapor y destilado enriquecidos en etanol respecto a la alimentación. |
| Destilaciones sucesivas | Destilado progresivamente más rico en etanol. |
| Cercanía al azeótropo | Destilado cercano al 95-95,6 % de etanol. |
| Punto azeotrópico | El destilado y el líquido presentan prácticamente la misma composición. |
Destilación azeotrópica y obtención de etanol deshidratado
La destilación azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla etanol-agua.
Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe romperse para lograr una mayor concentración.
En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por ejemplo, la adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeótropo.
La desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno. Por esta razón, la destilación azeotrópica implica una operación adicional y un control más complejo del proceso.
Otro método, la variación de presión en la destilación, se basa en el hecho de que un azeótropo depende de la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan.
Para saltar el azeótropo, el punto del azeótropo puede moverse cambiando la presión. El etanol puede destilarse entonces hasta el 97%.
El alcohol al 95,5% se envía a una columna de destilación que está a una presión diferente, se lleva el azeótropo a una concentración menor, tal vez al 93%. Ya que la mezcla está por encima de la concentración azeotrópica actual, la destilación no se “pegará” en este punto y el etanol se podrá destilar a cualquier concentración necesaria.
Para lograr la concentración requerida para que el etanol sirva como aditivo de la gasolina se utiliza etanol deshidratado. El etanol se destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del 95% de concentración, que permite destilaciones posteriores.
Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede reutilizarse.
Destilación al vacío de agua y etanol
Las variaciones de presión modifican el punto de ebullición de las sustancias, si disminuimos la presión en el matraz que contiene la mezcla, reduciremos la temperatura necesaria para producir vapor.
En algunos casos puede producirse destilación simplemente bajando la presión con una bomba de vacío u otro dispositivo similar. Este procedimiento permite realizar la separación a una temperatura inferior a la correspondiente a la presión atmosférica.
La destilación al vacío consiste en generar un vacío parcial dentro del sistema de destilación para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullición normal.
Para las sustancias que se descomponen al calentar, destilar con vacío puede ser la única opción posible. En el sistema agua-etanol, la reducción de presión modifica las temperaturas de ebullición y puede utilizarse para desplazar las condiciones del equilibrio, aunque no elimina por sí sola todos los problemas asociados al azeótropo.
Operación continua y discontinua
La separación etanol-agua puede realizarse en una torre de destilación continua o en una torre de destilación discontinua. En la operación continua, la alimentación entra de manera permanente, mientras que en la operación discontinua la mezcla se carga inicialmente en un rehervidor y el destilado se retira durante el proceso.
En este trabajo se evalúa el funcionamiento y simulación de una torre de destilación continua y una de destilación discontinua. La simulación predijo la composición de los productos, el número de etapas y la etapa de alimentación.
La torre de destilación cuenta con 9 etapas de equilibrio reales, por FVHV se calcularon 8 etapas y por NRTL 9, con ambos modelos se encontró que la etapa de alimentación óptima era el plato 7.
En la torre de destilación discontinua se realizaron dos ensayos, con empaque tipo pall y sin empaque. El modelo NRTL presentó mejor ajuste en la composición, pero para el volumen del destilado ningún modelo representó la tendencia experimental.
| Configuración | Características | Resultado de separación |
|---|---|---|
| Destilación simple | Un ciclo principal de evaporación y condensación. | Destilado enriquecido en etanol, pero con agua residual. |
| Columna de reflujo | Múltiples ciclos de evaporación y condensación. | Mayor enriquecimiento del destilado en etanol. |
| Torre continua | Alimentación y retirada de productos de forma continua. | Corriente superior rica en etanol y corriente inferior rica en agua. |
| Torre discontinua | La alimentación se procesa por lotes. | Composición del destilado variable durante el tiempo. |
Balances de materia y energía
En el proceso de separación hay tres etapas: 1) Formación de dos fases, 2) transferencia de calor y masa entre las fases y 3) separación de fases.
La destilación utiliza principios de separación: transferencia de calor y masa, equilibrio termodinámico; poniendo como criterio la temperatura de ebullición de la sustancia más volátil.
Los balances que se deben plantear para la destilación continua están dados por el análisis de grados de libertad, teniendo en cuenta las suposiciones hechas por el modelo continuo tales como, derrame molar constante para un proceso en estado estacionario, torre adiabática y las suposiciones hechas para la simulación discontinua como equilibrio entre el vapor y el líquido en todo el proceso, y la inexistencia de líquidos a la entrada del condensador.
La destilación permite fraccionar los componentes de la mezcla de acuerdo con su volatilidad relativa para así obtener una corriente con el producto más volátil y otra rica en el menos volátil.
Modelos de equilibrio y simulación
La simulación de una columna de destilación representa un problema interesante debido a la dinámica compleja del sistema, las interacciones termodinámicas en cada etapa de equilibrio y la interacción entre las corrientes internas y externas.
La simulación de una columna de destilación binaria representa un problema interesante en el diseño de control no lineal, como resultado de la dinámica compleja que involucra en el sistema interacciones termodinámicas presentes en cada etapa, la interacción entre las corrientes internas y externas del sistema, alta no linealidad y la distribución de composición y temperatura en la columna de destilación.
La simulación se realizó mediante los métodos McCabe-Thiele y riguroso, y empleando la ecuación de estado cúbica modificada Forero-Velázquez-Huron-Vidal (FVHV) propuesta inicialmente por Peng-Robinson y el modelo de actividad No-Random-Two-Liquid (NRTL).
Los ingenieros químicos emplean diversos modelos termodinámicos con el fin de dar precisión y exactitud a los balances de materia y energía con el cálculo de propiedades físicas y termodinámicas.
Además, se emplean modelos de actividad con el fin de modelar el equilibrio que involucre fases líquidas de sistemas no ideales, y el coeficiente de actividad se puede utilizar como una medida de la desviación de una solución con respecto a la solución, como si fuera ideal a la misma temperatura y presión.
El modelo de actividad Non-Random Two Liquid (NRTL) parte de la idea básica del modelo de Wilson, Renon y Prausnitz, este desarrolló la ecuación que se basa en el concepto de composición molar local y estos definen las fracciones molares similares a Wilson, pero introducen un parámetro de interacción binaria adicional característico de la condición de no azar de la mezcla.
Factores que modifican los productos obtenidos
Composición de la alimentación
La concentración de la solución de alimentación se estableció entre 10 % y 15 %, ya que en los procesos de fermentación no se alcanza un porcentaje mayor al 20 %.
Cuanto mayor sea la concentración inicial de etanol, mayor será generalmente la concentración del primer vapor y del destilado, aunque el producto final seguirá limitado por el comportamiento azeotrópico de la mezcla.
Temperatura
La temperatura de ebullición de la mezcla puede variar gradualmente conforme cambia su composición. Al principio, el vapor puede estar relativamente enriquecido en etanol; posteriormente, al reducirse la cantidad de etanol en el rehervidor, la temperatura aumenta y el destilado contiene una proporción mayor de agua.
Presión
El punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.
La disminución de la presión reduce la temperatura necesaria para producir vapor y puede ser útil para proteger sustancias sensibles al calor o para modificar el comportamiento del azeótropo.
Reflujo
El reflujo devuelve parte del condensado a la columna y aumenta el contacto entre el líquido descendente y el vapor ascendente. Este contacto favorece que el vapor se enriquezca en etanol y que el líquido que baja hacia el rehervidor se enriquezca en agua.
Las columnas de reflujo se pueden utilizar tanto en procesos por lotes como en procesos continuos.
Número de etapas
Un mayor número de etapas de equilibrio permite repetir más veces el contacto entre las fases y mejora la separación, aunque el límite azeotrópico continúa siendo determinante en la destilación convencional.
Normalmente los equipos utilizados para este proceso son ineficientes debido a que solo se usa una pequeña porción de la columna, es decir, las etapas inferiores para la separación principal, mientras que las otras etapas son las responsables del refinado de los productos.
Aplicaciones de los productos
En la producción de alcohol, separa el etanol de una mezcla fermentada para crear bebidas espirituosas como el whisky, el vodka y el ron.
La obtención de bebidas alcohólicas es posible porque se puede destilar el fermento de frutas u otros productos naturales. Se hierve el fermento a unos 80 °C (la temperatura de ebullición del alcohol) y así se le separa el agua, que permanece en el recipiente.
La destilación combina conocimientos científicos con habilidades refinadas, equilibrando la precisión con la creatividad para alcanzar la excelencia. Utilizando las diferencias en los puntos de ebullición de varios líquidos, este proceso crea etanol puro, que es fundamental en la producción de bebidas alcohólicas y se utiliza ampliamente en industrias que van desde la farmacéutica hasta la producción de combustible.
Más allá de las bebidas, es vital para la purificación de productos farmacéuticos, industriales y cosméticos. Al producir etanol como combustible hay que separarlo completamente del agua, si se quiere mezclar con gasolina, o la mayor parte, si se va a quemar en un motor adaptado.
Para obtener un etanol apto para aplicaciones que requieren una concentración superior a la azeotrópica se necesitan operaciones complementarias, como la destilación azeotrópica, la destilación extractiva, la destilación a vacío o el uso de tamices moleculares.
Columnas de destilación fraccionada - partes
Seguridad y control del proceso
El método consiste en aplicar calor a una mezcla de sustancias hasta que una de ellas pasa a la fase de vapor, por lo que el control de la temperatura y de la presión es esencial durante toda la operación.
El proceso implica un cuidadoso control de la temperatura y la presión para lograr la separación deseada de los componentes. El termómetro es necesario para controlar la temperatura del vapor.
El montaje básico incluye un recipiente para el líquido a destilar, una fuente de calor y un condensador que devuelve el vapor al estado líquido. El líquido condensado debe recogerse en un recipiente adecuado y el residuo debe permanecer en el matraz o rehervidor.
La destilación del alcohol es un proceso sofisticado que combina principios científicos con habilidades artesanales, lo que requiere una profunda comprensión de los principios físicos y una meticulosa atención a los detalles.
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