La destilación batch o destilación por lotes es un proceso de destilación en el que una mezcla se destila para separarla en sus fracciones componentes antes de que el equipo se vuelva a cargar con más mezcla y se repita el proceso. Esto contrasta con la destilación continua, donde la materia prima se añade y el destilado se extrae sin interrupción. La destilación por lotes ha sido tradicionalmente una parte importante en la producción de productos químicos estacionales, de baja capacidad y de alta pureza. Es un proceso de separación muy frecuente en la industria farmacéutica.
Rectificador de lotes derecha|marco|Diagrama de un rectificador de lotes.
La configuración más simple y de uso más frecuente en la destilación por lotes es el rectificador de lotes, que incluye el alambique y el destilador. El rectificador de lotes consta de una caldera (o hervidor), una columna de rectificación, un condensador, algunos medios para separar una porción del vapor condensado (destilado) como reflujo, y uno o más receptores.
La caldera se llena con la mezcla líquida y se calienta. El vapor asciende por la columna de rectificación y se condensa en la parte superior. Normalmente, todo el condensado se devuelve inicialmente a la columna como reflujo. Este contacto entre vapor y líquido mejora considerablemente la separación. En general, este paso se denomina «inicio». El primer condensado recibe el nombre de cabeza y contiene componentes indeseables. El último condensado son las colas (o fintas), también indeseables aunque aportan sabor en algunos contextos. En medio se encuentra el corazón, que constituye el producto deseado.
Según la práctica del destilador, la cabeza y las colas pueden desecharse, someterse a reflujo o añadirse al siguiente lote. Después de un tiempo, una parte del condensado superior se extrae continuamente como destilado y se acumula en los receptores, mientras que la otra parte se recicla a la columna como reflujo.
Debido a las diferentes presiones de vapor de los componentes, la composición del destilado varía con el tiempo. Al inicio de la destilación discontinua, el destilado contiene una alta concentración del componente con mayor volatilidad relativa. A medida que el suministro del material se agota y los componentes más ligeros se eliminan, la fracción relativa de los componentes más pesados aumenta conforme avanza la destilación.
Separador de lotes derecha|marco|Diagrama de un separador de lotes.
La otra configuración simple de destilación por lotes es el separador de lotes (batch stripper). El separador de lotes consta de las mismas partes que el rectificador de lotes. Sin embargo, en este caso, la alimentación se encuentra por encima de la columna de agotamiento.
Durante la operación (después de cargar la caldera y poner en marcha el sistema), los componentes de alto punto de ebullición se separan principalmente de la mezcla de alimentación. El líquido en la caldera se agota en los constituyentes de alto punto de ebullición y se enriquece en los de bajo punto de ebullición. El producto de alto punto de ebullición se envía a los receptores de fondos. El producto residual de bajo punto de ebullición se retira del recipiente de alimentación. Este modo de destilación por lotes se aplica muy raramente en procesos industriales.
derecha|marco|Diagrama de una columna de recipiente medio.
Columna de recipiente medio Una tercera configuración factible es la columna de recipiente medio (middle vessel column). La columna de recipiente medio consta de una sección de rectificación y una de agotamiento, y el recipiente de alimentación está ubicado en el centro de la columna.
Cálculos de balances de materia y energía El diseño y la simulación de procesos de destilación por lotes requieren la resolución de balances de materia y energía, que son inherentemente dinámicos debido a la naturaleza transitoria del proceso. A diferencia de la destilación continua, donde se alcanza un estado estacionario, en la destilación batch las composiciones, temperaturas y caudales varían con el tiempo.
Balance de materia global Para un sistema de destilación por lotes sin alimentación continua (modo rectificador simple), el balance de materia global en la caldera se expresa como:
donde: B es la cantidad de líquido remanente en la caldera (en moles o kg) D(t) es el caudal instantáneo de destilado (extracción) t es el tiempo
Balance de materia por componente Para un componente i en la caldera, el balance de materia diferencial es:
o, desarrollando la derivada:
donde: xB,i es la fracción molar del componente i en la caldera xD,i es la fracción molar del componente i en el destilado en el instante t
Estas ecuaciones se complementan con la relación de equilibrio entre fases y las ecuaciones de operación de la columna (método de McCabe-Thiele modificado o métodos rigurosos de etapas de equilibrio).
Balance de energía El balance de energía en la caldera (hervidor) relaciona el calor suministrado con la vaporización de la mezcla:
En el caso más simple sin alimentación continua y suponiendo que el líquido en la caldera está en equilibrio con el vapor que sale:
donde: Q(t) es el flujo de calor suministrado al hervidor (kW) V(t) es el flujo de vapor que asciende por la columna (mol/s) λmezcla(t) es el calor latente de vaporización de la mezcla (kJ/mol) hB es la entalpía específica del líquido en la caldera (kJ/mol)
En condiciones de desbordamiento molar constante (simplificación habitual), el balance de energía se desacopla parcialmente del balance de materia, permitiendo un tratamiento más sencillo.
Relación de reflujo y modelado de la columna La relación de reflujo R(t) se define como:
donde L(t) es el caudal de líquido que retorna a la columna desde el condensador. La relación entre el vapor que sale de la columna V(t) y el destilado es:
Para modelar la separación en la columna se utilizan comúnmente dos aproximaciones:
Modelo de etapa de equilibrio: supone que el vapor y el líquido que abandonan cada plato están en equilibrio termodinámico. Requiere resolver un sistema de ecuaciones diferenciales y algebraicas (DAE). Modelo de transferencia de masa: incorpora resistencias a la transferencia de materia y calor entre fases, siendo más riguroso pero computacionalmente más intensivo.
Métodos de solución numérica Los balances diferenciales se resuelven mediante integración numérica. Los métodos más empleados son:
Método de Runge-Kutta de cuarto orden Método de Gear (para sistemas rígidos o stiff) Métodos de predicción-corrección (Adams-Bashforth-Moulton)
En la práctica industrial y académica, se utilizan simuladores comerciales como Aspen Batch (antes Aspen Batch Plus), gPROMS o DynoSim que implementan estos modelos.
Ejemplo simplificado: sistema binario Para una mezcla binaria ideal (componentes A y B, con A más volátil), suponiendo platos teóricos infinitos y reflujo total, se puede aplicar la ecuación de Rayleigh modificada:
Donde xD se relaciona con xB mediante la curva de equilibrio vapor-líquido. Esta ecuación permite calcular la cantidad de residuo en la caldera al final de la operación en función de la composición inicial y final deseada.
Estudios de viabilidad En general, los estudios de viabilidad de la destilación por lotes se basan en el análisis de los siguientes mapas:
Mapa de curvas de residuo Mapa de rutas estacionarias (still path map) Mapa de rutas de destilado (distillate path map) Diferentes mapas de perfil de columna
Durante los estudios de viabilidad, se asumen las siguientes simplificaciones básicas:
Número infinito de etapas de equilibrio. Relación de reflujo infinita. Retención en el plato despreciable en ambas secciones de la columna. Estado casi estacionario en la columna. Desbordamiento molar constante.
Bernot et al.Bernot, C.; Doherty, M.; Malone, M. F. "Patterns of Composition Change in Multicomponent Batch Distillation". Chemical Engineering Science, 1990, 45, 1207. utilizaron las regiones de destilación por lotes para determinar la secuencia de las fracciones. Según Ewell y Welch,Ewell, R. H.; Welch, L. M. "Rectification in Ternary Systems Containing Binary Azeotropes". Industrial Engineering Chemistry, 1945, 37, 1224. una región de destilación discontinua produce las mismas fracciones al rectificar cualquier mezcla que se encuentre dentro de ella. Bernot et al. examinaron las rutas estacionarias y de destilado para determinar los límites de la región en condiciones de alto número de etapas y alta relación de reflujo, denominada separación máxima.
Pham y Doherty, en un trabajo pionero,Pham, H. N.; Doherty, M. F. "Design and Synthesis of Heterogeneous Azeotropic Distillations II. Residue Curve Maps". Chemical Engineering Science, 1990, 45, 1843. describieron la estructura y propiedades de los mapas de curvas de residuo para mezclas azeotrópicas heterogéneas ternarias. En su modelo, la posibilidad de la separación de fases del vapor condensado no se tiene en cuenta. Los puntos singulares de los mapas de curvas de residuo determinados por este método fueron utilizados posteriormente para asignar las regiones de destilación por lotes por Rodríguez-Donis et al.Rodriguez-Donis, I.; Gerbaud, V.; Joulia, X. "Feasibility of Heterogeneous Batch Distillation Processes". AIChE Journal, 2002, 48 (6), 1168.Rodriguez-Donis, Y.; Equijarosa, J. A.; Gerbaud, V.; Joulia, X. "Heterogeneous Batch Distillation of Minimum Boiling Azeotropic Mixtures". AIChE Journal, 2003, 49 (12), 3074. y Skouras et al.Skouras, S.; Kiva, V.; Skogestad, S. "Feasible Separations and Entrainer Selection Rules for Heteroazeotropic Batch Distillation". Chemical Engineering Science, 2005, 60, 2895.Skouras, S.; Skogestad, S.; Kiva, V. "Analysis and Control of Heteroazeotropic Batch Distillation". AIChE Journal, 2005, 51 (4), 1144-1157.
Modla et al.Modla, G.; Lang, P.; Kotai, B.; Molnar, K. "Batch Heteroazeotropic Rectification of a Low Relative Volatility Mixture with Continuous Entrainer Feed". AIChE Journal, 2003, 49 (10), 2533. señalaron que este método puede dar resultados engañosos para la cantidad mínima de agente de arrastre. Lang y ModlaLang, P.; Modla, G. "Generalized Method for the Determination of Heterogeneous Batch Distillation Regions". Chemical Engineering Science, 2006, 61, 4262-4270. extendieron el método de Pham y Doherty y sugirieron un nuevo método general para el cálculo de curvas de residuo y para la determinación de regiones de destilación discontinua heteroazeotrópica.
Lelkes et al.Lelkes, Z.; Lang, P.; Moszkowicz, P.; Benadda, B.; Otterbein, M. "Batch Extractive Distillation: The Process and Operational Policies". Chemical Engineering Science, 1998, 53, 1331. publicaron un método de viabilidad para la separación de azeótropos de punto de ebullición mínimo mediante destilación extractiva por lotes con alimentación continua de agente de arrastre. Este método se ha aplicado al uso de un agente de arrastre ligero en rectificadores y separadores de lotes por Lang et al.Lang, P.; Lelkes, Z.; Otterbein, M.; Benadda, B.; Modla, G. "Feasibility Studies for Batch Extractive Distillation with a Light Entrainer". Computers & Chemical Engineering, 1999, 23, S93-S96. y a azeótropos de máximo punto de ebullición por Lang et al.Lang, P.; Modla, G.; Benadda, B.; Lelkes, Z. "Homoazeotropic Distillation of Maximum Azeotropes in a Batch Rectifier with Continuous Entrainer Feed: I. Feasibility Study". Computers & Chemical Engineering, 2000, 24, 1465. Modla et al. extendieron este método a la destilación heteroazeotrópica por lotes con alimentación continua de agente de arrastre.
Véase también Destilación azeotrópica Destilación extractiva Destilación fraccionada Heteroazeótropo Destilación por arrastre de vapor Destilación al vacío Plato teórico Ecuación de Rayleigh
Referencias
Lecturas complementarias