Para comprender más fácilmente el proceso de la destilación del petróleo crudo es necesario tener en mente los conceptos básicos en que se fundamenta la destilación y las variables que en ella intervienen, las más importantes son:
La presión de vapor y el concepto de volatilidad.
Temperatura de ebullición de: compuestos puros y mezclas. Presión de trabajo.
Concentración de los componentes en una mezcla.
Presión de vapor:
Es una propiedad de los líquidos específica para cada compuesto, varía con la temperatura, y se origina por la energía cinética que contienen las moléculas, lo cual hace que se muevan a gran velocidad en el seno del líquido, esto provoca una fuerza o presión de las moléculas sobre las paredes del recipiente; las moléculas que se encuentran en la superficie tienden a escapar del seno del líquido, lo cual no sucede porque la presión externa sobre el líquido se lo impide. A la presión de las moléculas sobre las paredes y hacia arriba de la superficie se le conoce como "presión de vapor". Como se presenta en la figura siguiente.
FIGURA 6 PRESIÓN DE VAPOR
Las moléculas de la superficie no escapan del líquido porque la presión encima del líquido se los impide.
La presión de vapor depende del número y tamaño de las moléculas.
Concepto de volatilidad.
La presión de vapor depende en gran parte de la estructura y tamaño de las moléculas; en general, las moléculas pequeñas tienen mayor movimiento (presión de vapor) que las moléculas grandes comparándolas a la misma temperatura; por lo cual, se dice que las primeras son más volátiles porque tienen mayor presión de vapor y se evaporan más fácilmente que las moléculas grandes.
El tamaño relativo de las moléculas se refleja en el peso molecular de los componentes y en la densidad o peso específico.
Los componentes con alto peso molecular son menos volátiles que los
componentes con bajo peso molecular.
Los líquidos con alto peso específico, tienen volatilidad menor que los
componentes con bajo peso específico.
Temperatura de Ebullición (Te):
La presión de vapor aumenta con la temperatura. Cuando se calienta un líquido, aumenta la energía de sus moléculas y aquéllas que se encuentran en la superficie ejercen mayor presión de vapor hacia arriba, contraponiéndose a la presión que se encuentra encima del líquido. Si se continúa calentando, llega un momento en que las presiones se igualan, escapando las moléculas libremente; en ese momento es cuando se dice que el líquido alcanzó su temperatura de ebullición. Si se sigue calentando la temperatura no cambia, mientras exista líquido, el calor agregado sólo transforma el líquido en vapor, a esto se le denomina calor latente.
Cuando la presión encima del líquido es la presión atmosférica a nivel del mar (con valor de 760 mmHg ó 14.7 psia), como ocurre cuando se calienta un líquido en un recipiente abierto a la atmósfera, la temperatura a la cual entra en ebullición se le llama temperatura normal de ebullición.
P.A.= 760 mmHg P.V.= 232 mmHg Te = 70 ºC AGUA P.A > P.V. CALOR
P.A.= 760 mmHg P.V.= 760 mmHg Te = 100 ºC AGUA P.A = P.V. CALOR FIGURA 7
EL AGUA NO ENTRA EN EBULLICIÓN
FIGURA 8 EL AGUA ALCANZÓ SU TEMPERATURA DE EBULLICIÓN
En recipientes cerrados, la temperatura de ebullición de los líquidos aumenta cuando la presión que se mantiene dentro del recipiente es mayor que la presión atmosférica (presión positiva), y disminuye cuando es menor (presión negativa o vacío).
Lo anterior se ilustra en las figuras 9 y 10.
Te = 93 ºC AGUA P = 11.5 Psia VAPOR
Te = 149 ºC AGUA P = 67.0 Psia VAPOR FIGURA 9
PRESIÓN NEGATIVA (VACÍO)
FIGURA 10 PRESIÓN POSITIVA
T = 70° C Te = 100° C
El vapor que se produce tiene la misma temperatura del agua líquida, se dice entonces que se trata de vapor saturado.
A una determinada presión le corresponde una temperatura de ebullición. Cuando un vapor saturado se calienta por arriba de su temperatura de
ebullición, se considera que es un vapor sobrecalentado.
Temperatura de ebullición de una mezcla de dos o más componentes
En una mezcla toma importancia la cantidad relativa de moléculas presentes de cada componente, esto se expresa como la fracción mol de los componentes, y se determina por la siguiente relación:
Xa = moles de componente A/moles totales (para el componente A).
Una mol se define como el peso molecular de un compuesto, expresado en gramos (o libras) y resulta de sumar los pesos atómicos de los elementos que lo integran. Si el peso molecular del agua (H2O) es 18, y el del metanol (CH3OH) es igual a 32, entonces una mol de agua es igual a 18 gramos y una mol de metanol a 32 gramos.
Por ejemplo, si hay una mezcla de 40% de agua y 60% de metanol, la fracción mol de cada componente será tomando como base 100 gramos de mezcla:
La temperatura de ebullición de una mezcla, depende de la presión de vapor de los componentes puros, de la concentración molecular (expresado como fracción mol) y la presión de trabajo.
Cuando se tiene una mezcla con dos componentes A y B, con presión de vapor Poa y Pob y concentración en fracción mol Xa y Xb, respectivamente, al calentar la mezcla en un recipiente con presión P, la temperatura de ebullición (Te) será aquélla donde la presión de vapor de la mezcla sea igual a P, esto se puede representar por la siguiente relación:
Xa Poa + Xb Pob = P
Agua: 40
18 ( Moles ) Metanol: ( Moles )
Moles Totales + 1.8 = Fracciones Mol: X = 2.2 4.0 = (Agua) X = = (Metanol) a b 2 2 60 32 1 87 2 2 4 0 0 55 1 87 4 0 0 45 . . . . . . . .