La destilación multietapa es una operación unitaria primordial en la industria química. La transferencia de masa aumenta proporcionalmente al área de contacto entre las fases y es por ello que los dispositivos han sido diseñados para obtener la máxima área de interfaz. Para caudales de líquido y vapor constantes, el tiempo de contacto entre las dos fases es constante; por lo tanto, al aumentar el área de contacto aumenta también la transferencia de masa y por consiguiente la posibilidad de alcanzar el equilibrio del sistema, lo que representa el 100% del rendimiento. La combinación de factores como la realización de dispositivos de contacto, las condiciones de operación y las características del sistema raramente permite lograr un rendimiento del 100%. El proceso de separación normalmente se realiza en columnas constituidas por dispositivos que permiten un contacto líquido-vapor continuo o discontinuo. Las columnas de platos constituyen el ejemplo de etapas de equilibrio discontinuos, mientras que las columnas de relleno son el típico ejemplo de contacto líquido-vapor continuo. Las primeras producen la variación de la concentración del líquido y del vapor en los platos, cada uno de los cuales representa una etapa de equilibrio. Naturalmente la transferencia de masa se verifica también en la zona entre los platos: entre el líquido bajo forma de gotitas y el vapor, así como entre el vapor y el líquido bajo forma de espuma. La transferencia de masa propiamente dicha generalmente se debe al contacto entre las dos fases en el plato o cerca de él. La columna de platos se diferencia de una columna de relleno también por el hecho de incorporar un “desaguadero” para mantener el estado líquido en el plato y un conducto descendente que transporta el líquido del plato superior al inferior. Las columnas de relleno hacen posible la transferencia de masa continua entre las fases a lo largo de toda la altura de la columna. La principal diferencia entre una columna de relleno y una de platos es que en la primera el líquido y el vapor tienen que circular en contracorriente a través de los mismos pasajes, mientras que en la segunda las dos fases marchan por dos caminos separados, excepto cuando están en contacto en el plato. Además, se puede disponer de columnas de platos sin los descendentes y por lo tanto las dos fases tienen que circular a través de los mismos pasajes; estas columnas se consideran de relleno y deberán tratarse como tales.
DESTILACIÓN CONTINUA CON REFLUJO
La destilación fraccionada con reflujo se puede definir básicamente como la combinación de una serie de separaciones por vaporización instantánea, de forma que los vapores y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. A cada etapa entra una corriente de vapor y una de líquido que al ponerse en contacto entran en equilibrio, por ende, las corrientes que salen de esta etapa se encuentran en equilibrio a la temperatura de la etapa.
El método McCabe-Thiele es un algoritmo gráfico que permite determinar el número de platos o etapas teóricas necesarios para la separación de una mezcla binaria. Este procedimiento emplea la curva de equilibrio xy y algunos balances de materia para determinar las líneas de operación de cada sección de la torre. Una etapa teórica en un dispositivo de destilación cumple las siguientes condiciones: 1. Trabaja en estado estable, generando un producto en fase líquida y otro en fase vapor. 2. Las corrientes de vapor y de líquido que ingresan a cada etapa se encuentran perfectamente mezcladas. 3. La corriente de vapor y líquido que salen de la etapa se encuentran en equilibrio de fases.
La principal suposición que se toma en el método McCabe-Thiele es el derrame equimolar a través de la torre, entre el plato superior y el de alimentación, y el plato de alimentación el inferior. Esta suposición se fundamenta en que las diferencias de los calores sensibles de las cuatro corrientes que interactúan en una etapa son despreciables cuando los calores de disolución son muy pequeños. Por tanto, los calores latentes de las corrientes de vapor son importantes en el balance de energía, tomando en cuenta que los calores de vaporización para compuestos químicamente similares son muy parecidos, los flujos de vapor son constantes a través de la torre así como también los flujos de líquido.
Balance global: planteando un balance molar global de materia y otro por componente en la columna se tiene:
