AZEROTROPOS

FUNDAMENTO:

Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente.

Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple o por extracción líquido-vapor utilizando líquidos iónicos como el cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio.

El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo de ebullición máxima y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo de ebullición mínima, los sistemas azeotrópicos de ebullición mínima son más frecuentes que los de ebullición máxima.

TIPOS DE AZEOTROPOS

AZEÓTROPOS POSITIVOS Y NEGATIVOS

Cada azeótropo tiene una temperatura de ebullición característica, el cual puede ser menor o mayor que

las temperaturas de ebullición de cualquiera de sus componentes. Los azeotrópos constituidos por 2

componentes son llamados Azeótropos binarios, por tres azeótroposternarios, etc.

Ejemplos conocidos son mezclas de un 95.63% etanol + agua a presión atmosférica (1 atm, o 101.3 kPa).

Etanol y agua hierven a 78.4 °C y 100 °C respectivamente, mientras que el azeótropo lo hace a 78.2 °C.

De hecho, 78.2 °C es la mínima temperatura a la que una mezcla de etanol + agua puede hervir, a presión

atmosférica. Se trata entonces de un azeótropo de temperatura mínima, también conocido como

azeótropo positivo debido a cómo el comportamiento de esta mezcla se desvía de la ley de Raoult.

Un ejemplo de mezcla azeotrópica negativa es el ácido clorhídrico, a una concentración de 20.2%

de cloruro de hidrógeno en agua. El cloruro de hidrógeno hierve a -84 °C, mientras que el azeótropo lo

hace a 110 °C, la cual es mayor, por lo tanto se trata de un azeótropo de temperatura máxima

o negativo debido nuevamente, a su desviación respecto de la ley de Raoult.

AZEÓTROPOS HOMOGÉNEOS Y HETEROGÉNEOS

Si los compuestos presentes en la mezcla no son completamente miscibles, es posible encontrar un azeótropo sobre un agujero de miscibilidad. Este tipo de azeótropo es llamado heterogéneo entonces,

debido a la presencia de 2 fases líquidas sobre la fase vapor. Por el contrario, si el azeótropo se encuentra

fuera de una zona de inmiscibilidad (como los ejemplos anteriores de etanol+agua y cloruro de

hidrógeno+agua), se trata de un azeótropo homogéneo

DESTILACIÓN DE MEZCLAS DE AZEOTRÓPOS

Si dos solventes forman un azeótropo positivo, la destilación de una mezcla de estos compuestos con

cualquier composición, producirá un destilado con una composición más cercana a la del azeótropo.

Retomando el ejemplo etanol+agua, si se someta a una destilación simple una mezcla al 50% de etanol

evaporando un 50% de la mezcla se obtendrán dos productos: agua más pura en fondo (~25% etanol), y

un destilado con una concentración mayor en etanol (~74%). Si esa mezcla vuelve a destilarse se

obtendrá un 2º destilado, con una concentración de etanol de aproximadamente 82%. Una 3ª destilación

arrojará dará un destilado de un ~87% de etanol. Como se aprecia en la figura, sucesivas destilaciones

aproximan el destilado a una composición del azeótropo (95% de etanol), pero nunca a etanol puro.

También es posible partir de una mezcla con una composición de etanol mayor que la del azeótropo, lo

que volverá a producir un destilado más cercano al en composición al azeótropo, y un fondo esta vez más

rico en etanol en lugar de agua.3 4 En teoría, infinitas destilaciones dan como resultado una mezcla de

composición azeotrópica. En la práctica esto no es posible, ya que en este ejemplo hemos supuesto que

en cada destilación evaporamos solo la mitad por lo tanto, a infinito número de destilaciones, se tiene una

cantidad infinitamente pequeña de destilado.

En tanto, si dos componentes forman un

azeótropo negativo, no será el destilado sino el

residuo el que se acerque en composición al

azeótropo. Retomando el ejemplo de cloruro de

hidrógeno+agua, conteniendo menos de un

20.2% de cloruro de hidrógeno, una primera

destilación simple deja como residuo una

mezcla más concentrada en ácido clorhídrico.

Si por el contrario, la solución contiene más

que un 20.2% de cloruro de hidrógeno el

residuo tendrá menos ácido que el original,

acercándose a su composición azeotrópica.

DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA DE AZEÓTROPOS BINARIOS HETEROGÉNEOS

Fundamento físico

La separación de componentes que tienen aproximadamente las mismas temperaturas de ebullición es difícil de alcanzar por destilación simple aun cuando las mezclas sean ideales, y una separación completa a menudo resulta imposible debido a la formación de azeotrópos. En la destilación binaria heterogénea el proceso aprovecha que se forman dos fases líquidas para destilar, por tanto, no vale cualquier azeótropo, sino debe ser heterogéneo. Para conseguirlo, se fuerza a la columna para que salga el azeótropo al enfriarla separándose en dos fases, luego se aprovecha el azeótropo.

DESTILACIÓN SIMPLE:

Para destilar se utiliza un aparato llamado alambique. Dicho alambique está formado por un

recipiente en el cual se colocará la mezcla a la cual se le aplicará una fuente de calor.

Seguidamente encontraremos un condensador, donde se producirá el enfriamiento de los

vapores que hayan sido generados, haciéndolos pasar de nuevo a estado líquido para ser

recogidos de nuevo en otro recipiente, donde el líquido se encontrará concentrado.

La destilación se utiliza en la industria química para poder separar mezclas, ya sean éstas

simples o complejas. Las diferentes destilaciones simples se pueden dividir en continuas y

discontinuas.

Un aparato básico de destilación simple, consta de las siguientes partes:

Mechero, el cual proporcionará calor a la mezcla que debemos destilar.

Matraz redondo, que sirve para contener la mezcla, así como también porcelana porosa, para

evitar el sobrecalentamiento, y que se caliente de manera homogénea.

Cabeza de destilación.

Tubo refrigerante, que es un tubo de vidrio lleno de líquido refrigerante, que viene usado para

poder condensar los vapores desprendidos.

Una entrada de agua, por la parte inferior del tubo refrigerante, el cual siempre debe

permanecer lleno de agua.

Salida de agua, que suele estar conectado en la parte inferior del tubo.

Bomba de vacío, aunque no suele ser necesario si realizamos la destilación a presión

atmosférica.

DESTILACIÓN FRACCIONADA:

Es una variante de la destilación simple usada generalmente para realizar la separación de líquidos que posean puntos de ebullición con valores cercanos.Se diferencia de la destilación simple sobretodo en que éste tipo utiliza una columna de fraccionamiento, lo que permite que los vapores tengan más contacto entre ellos, subiendo junto al líquido condensado. Este proceso hace más fácil la tarea de intercambiar el calor entre los vapores, así como los líquidos. Dicho intercambio provoca también un intercambio de masa, de donde los líquidos, que tienen menor su punto de ebullición, pasando a vapor, y los vapores, con un punto de ebullición más alto, pasan a estado líquido.

DESTILACIÓN AL VACÍO:

Este tipo de destilación es una operación que complementa la destilación del crudo que se destila a presión atmosférica, y que no es vaporizado, saliendo por la parte baja de la columna de destilación.

En la destilación al vacío se consiguen tres productos diferentes:- Gas Oil ligero (GOL)- Gas Oil pesado (GOP)- Residuo de vacío

DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA:

Este tipo de destilación es una técnica que se utiliza para romper un azeótropo en las

destilaciones. Un azeótropo es una mezcla en estado líquido de varios componentes que tienen

un punto de ebullición constante, y de dicha manera, cuando la mezcla pasa a estado gaseoso

(vapor), sus componentes se forman como si fuesen el mismo.

DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR:

Es una destilación que se realiza por arrastre del vapor de agua, a partir de la vaporización del

componente de la mezcla, que sean o no, volátiles. El proceso se realiza inyectando agua

(vapor) en el interior de la mezcla, pasando a llamarse “ vapor de arrastre”, aunque el nombre

no es del todo real, pues su función no es arrastrar, sino condensarse, consiguiendo formarse

otra fase.

DESTILACIÓN MEJORADA:

Cuando una mezcla está formada por varios compuestos con puntos de ebullición similares, se debe tener en cuenta otras formas menos económicas que la destilación normal.

Cuando existen dos o más compuestos en una mezcla que tienen puntos de ebullición relativamente

cercanos, es decir, volatilidad relativa menor a 1 y que forma una mezcla no ideal es necesario considerar

otras alternativas más económicas a la destilación convencional, como son:

Destilación extractiva

Destilación reactiva

Estas técnicas no son ventajosas en todos los casos y las reglas de análisis y diseño pueden no ser

generalizables a todos los sistemas, por lo que cada mezcla debe ser analizada cuidadosamente para

encontrar las mejores condiciones de trabajo.

EJEMPLOS DE AZEOTROPOS

Ácido nítrico (68,4 %) / agua, hierve a 122 °C; Ácido perclórico (28,4 %) / agua, hierve a 203 °C (azeótropo negativo); Ácido fluorhídrico (35,6 %) / agua, hierve a 111,35 °C (azeótropo negativo); Etanol (95%) / agua, hierve a 78,2 °C; Ácido sulfúrico (98,3%) / agua, hierve a 336 °C; Acetona / metanol / cloroformo forma un azeótropo intermedio.