Destilación azeotrópica
Proceso de separación de líquidos con puntos de ebullición cercanos
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En química, la destilación azeotrópica[1] es cualquiera de una gama de técnicas utilizadas para romper un azeótropo en la destilación. En ingeniería química, la destilación azeotrópica generalmente se refiere a la técnica específica de agregar otro componente para generar un nuevo azeótropo de bajo punto de ebullición que es heterogéneo (es decir, produce dos fases líquidas inmiscibles),[2] como en el ejemplo clásico de la adición de benceno a una mezcla de agua y etanol. Esta práctica de añadir un agente de arrastre que forma una fase separada es un subconjunto específico de los métodos de destilación azeotrópica industrial. En cierto sentido, la adición de un agente de arrastre es similar a la destilación extractiva.
Agente de separación de materiales
La adición de un agente de separación de material, como el benceno a una mezcla de etanol y agua, altera las interacciones moleculares y permite superar el azeótropo.[2] Al agregarse a la fase líquida, el nuevo componente puede modificar el coeficiente de actividad de los distintos compuestos de manera diferencial, cambiando así la volatilidad relativa de la mezcla. Las mayores desviaciones de la ley de Raoult facilitan lograr cambios significativos en la volatilidad relativa mediante la adición de otro componente. En la destilación azeotrópica, la volatilidad del componente añadido es similar a la de la mezcla original, y se forma un nuevo azeótropo con uno o más de los componentes según las diferencias de polaridad.[3] Si el agente de separación se selecciona para formar azeótropos con más de un componente de la alimentación, se denomina agente de arrastre. El agente de arrastre añadido debe recuperarse mediante destilación, decantación u otro método de separación y reincorporarse cerca de la parte superior de la columna original.[4]
Destilación de la mezcla etanol/agua
Un ejemplo histórico clásico de destilación azeotrópica es su uso en la deshidratación de mezclas de etanol y agua. Para ello, se envía una mezcla cercana al azeótropo a la columna final donde tiene lugar la destilación azeotrópica. Se pueden utilizar diversos aditivos para este proceso específico: benceno, pentano, ciclohexano, hexano, heptano, isooctano, acetona y éter dietílico son opciones viables.[3] De estos, el benceno y el ciclohexano han sido los más empleados. Sin embargo, debido a que se ha demostrado que el benceno es un compuesto carcinogénico, su uso ha disminuido considerablemente.[5] Si bien este método fue el estándar para deshidratar etanol en el pasado, ha perdido popularidad debido a los altos costos de capital y energía asociados. Un método alternativo, favorable y menos tóxico que el benceno para romper el azeótropo etanol-agua, es el uso de tolueno.
Destilación por oscilación de presión
Otro método, la destilación por oscilación de presión, se basa en el hecho de que la composición de un azeótropo depende de la presión.[2] Un azeótropo no es un intervalo de concentraciones que no se pueda destilar, sino el punto en el que los coeficientes de actividad de los componentes en el destilado se igualan. Si se puede "saltar" el azeótropo, la destilación puede continuar; sin embargo, debido a que los coeficientes de actividad se han cruzado, el agua saldrá del etanol restante (en lugar del etanol del agua) en concentraciones más bajas.
Para "saltar" el azeótropo, este puede desplazarse modificando la presión. Típicamente, la presión se ajusta de modo que el azeótropo difiera del azeótropo a presión ambiente en un cierto porcentaje en cualquier dirección.[5] Para una mezcla de etanol y agua, a 20 bar de sobrepresión se alcanza una concentración del 93,9 %, en lugar del 95,3 % a presión ambiente. La destilación funciona entonces en sentido inverso: el etanol emerge en el residuo (fondos) y el agua en el destilado. Mientras que en la columna de baja presión el etanol se enriquece hacia la parte superior, en la columna de alta presión el etanol se enriquece hacia el fondo, ya que ahora es el producto de fondos. El producto de cabeza (agua como destilado) se realimenta a la columna de baja presión, donde se realiza la destilación normal. El producto de fondos de la columna de baja presión consiste principalmente en agua, mientras que la corriente de fondos de la columna de alta presión es etanol casi puro, con concentraciones del 99 % o superiores. La destilación por oscilación de presión invierte esencialmente las relaciones de equilibrio y, en consecuencia, invierte en qué extremo de la columna sale cada componente en comparación con la destilación estándar a baja presión.
En general, la destilación por oscilación de presión es un método muy robusto y menos sofisticado en comparación con los procesos de destilación de múltiples componentes o con membranas, pero su demanda energética es generalmente mayor. Asimismo, el costo de inversión de las columnas de destilación es más elevado debido a la presión requerida en las torres.
Ruptura de un azeótropo
Para azeótropos de bajo punto de ebullición, el componente volátil no puede purificarse completamente mediante destilación. Para obtener el material puro es necesario "romper el azeótropo", lo que implica un método de separación que no dependa de la destilación. Un enfoque común es el uso de tamices moleculares.[5] El tratamiento de etanol al 96 % con tamices moleculares produce alcohol anhidro, ya que los tamices adsorben el agua de la mezcla. Posteriormente, los tamices pueden regenerarse mediante deshidratación en un horno de vacío.
Reacciones de deshidratación
En química orgánica, algunas reacciones de deshidratación están sujetas a equilibrios desfavorables pero rápidos. Un ejemplo es la formación de dioxolanos a partir de aldehídos:[6]
![{\displaystyle {\mathrm {RCHO} {}+{}(\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {OH} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightleftharpoons } {}\mathrm {RCH} (\mathrm {OCH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/68ae785f4e4f35b72c9c524089ea5d28f104ef52)
Estas reacciones desfavorables se desplazan hacia la derecha cuando el agua se elimina mediante destilación azeotrópica.
