La volatilidad relativa es una medida que compara las presiones de vapor de los componentes en una mezcla líquida de productos químicos. Esta cantidad se utiliza ampliamente en el diseño de grandes procesos de destilación industrial . [1] [2] [3] En efecto, indica la facilidad o dificultad de usar la destilación para separar los componentes más volátiles de los componentes menos volátiles en una mezcla. Por convención, la volatilidad relativa generalmente se denota como.
Las volatilidades relativas se utilizan en el diseño de todo tipo de procesos de destilación, así como otros procesos de separación o absorción que implican el contacto de fases líquidas y de vapor en una serie de etapas de equilibrio .
Las volatilidades relativas no se utilizan en procesos de separación o absorción que involucran componentes que reaccionan entre sí (por ejemplo, la absorción de dióxido de carbono gaseoso en soluciones acuosas de hidróxido de sodio ).
Definición
Para una mezcla líquida de dos componentes (llamada mezcla binaria ) a una temperatura y presión determinadas , la volatilidad relativa se define como
dónde: | |
= la volatilidad relativa del componente más volátil al componente menos volátil | |
= la concentración de equilibrio vapor-líquido del componente en la fase de vapor | |
= la concentración de equilibrio vapor-líquido del componente en la fase liquida | |
= la concentración de equilibrio vapor-líquido del componente en la fase de vapor | |
= la concentración de equilibrio vapor-líquido del componente en la fase liquida | |
= Constante de la ley de Henry (también llamada valor K o relación de distribución vapor-líquido ) de un componente |
Cuando sus concentraciones líquidas son iguales, los componentes más volátiles tienen presiones de vapor más altas que los componentes menos volátiles. Por lo tanto, un valor (= ) para un componente más volátil es mayor que un valor para un componente menos volátil. Eso significa que ≥ 1 ya que el mayor El valor del componente más volátil está en el numerador y el menor del componente menos volátil está en el denominador.
es una cantidad sin unidades. Cuando las volatilidades de ambos componentes clave son iguales,= 1 y la separación de los dos por destilación sería imposible en las condiciones dadas porque las composiciones del líquido y la fase de vapor son las mismas ( azeótropo ). Como el valor de aumenta por encima de 1, la separación por destilación se vuelve progresivamente más fácil.
Una mezcla líquida que contiene dos componentes se llama mezcla binaria. Cuando se destila una mezcla binaria, rara vez se logra la separación completa de los dos componentes. Normalmente, la fracción de cabeza de la columna de destilación consiste predominantemente en el componente más volátil y una pequeña cantidad del componente menos volátil y la fracción de colas consiste predominantemente en el componente menos volátil y una pequeña cantidad del componente más volátil.
Una mezcla líquida que contiene muchos componentes se denomina mezcla de varios componentes. Cuando se destila una mezcla de múltiples componentes, la fracción de cabeza y la fracción de colas contienen típicamente mucho más de uno o dos componentes. Por ejemplo, algunos productos intermedios en una refinería de petróleo son mezclas líquidas multicomponente que pueden contener los hidrocarburos alcano , alqueno y alquino que varían desde metano que tiene un átomo de carbono hasta decanos que tiene diez átomos de carbono. Para destilar dicha mezcla, la columna de destilación puede diseñarse (por ejemplo) para producir:
- Una fracción de cabeza que contiene predominantemente los componentes más volátiles que van desde el metano (que tiene un átomo de carbono) hasta el propano (que tiene tres átomos de carbono).
- Una fracción de colas que contiene predominantemente los componentes menos volátiles que van desde isobutano (que tiene cuatro átomos de carbono) hasta decanos (diez átomos de carbono).
Esta columna de destilación se denomina normalmente despropanizadora.
El diseñador designaría los componentes clave que gobiernan el diseño de separación como propano como la llamada llave ligera (LK) e isobutano como la llamada llave pesada (HK) . En ese contexto, un componente más ligero significa un componente con un punto de ebullición más bajo (o una presión de vapor más alta) y un componente más pesado significa un componente con un punto de ebullición más alto (o una presión de vapor más baja).
Por lo tanto, para la destilación de cualquier mezcla de varios componentes, la volatilidad relativa se define a menudo como
La destilación industrial a gran escala rara vez se realiza si la volatilidad relativa es inferior a 1,05. [2]
Los valores de se han correlacionado empírica o teóricamente en términos de composición de temperatura, presión y fase en forma de ecuaciones, tablas o gráficos, como los conocidos gráficos DePriester . [4]
Los valores se utilizan ampliamente en el diseño de columnas de destilación a gran escala para destilar mezclas de múltiples componentes en refinerías de petróleo, plantas petroquímicas y químicas , plantas de procesamiento de gas natural y otras industrias.
Ver también
- Destilación continua
- Destilación fraccionada
- Destilación al vacío
- Columna de fraccionamiento
- Diagrama de fases
- Plato teórico
- Método McCabe-Thiele
- Ecuación de Fenske
- Flash de equilibrio de un líquido multicomponente
- Volatilidad (química)
Referencias
- ^ Kister, Henry Z. (1992). Diseño de destilación (1ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
- ^ a b Perry, RH y Green, DW (Editores) (1997). Manual de ingenieros químicos de Perry (7ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049841-5.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace ) CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
- ^ Seader, JD y Henley, Ernest J. (1998). Principios del proceso de separación . Nueva York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.
- ^ DePriester, CL (1953), Chem. Ing. Prog. Serie de simposios , 7, 49 , páginas 1-43
enlaces externos
- Teoría de la destilación por Ivar J. Halvorsen y Sigurd Skogestad, Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (desplácese hacia abajo hasta: 2.2.3 Valores K y volatilidad relativa)
- Principales de destilación por Ming T.Tham, Universidad de Newcastle upon Tyne (desplácese hacia abajo hasta Volatilidad relativa)