1: Visión general
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Esta es la Parte I, Visión general de una serie de diez partes de artículos técnicos sobre la Ciencia de la Destilación, como se practica actualmente a nivel industrial. Se organiza como se utilizaría para el diseño de procesos industriales de columnas de destilación, lo que puede diferir de la forma en que se introduce académicamente a los estudiantes. Como parte del diseño de la columna de destilación, estos artículos también involucran los equilibrios vapor-líquido (VLE) de sistemas binarios, con potencial extensión a sistemas multicomponentes.
Se supone que el lector tiene una comprensión básica de la destilación, como medio de separar dos o más fluidos volátiles por la diferencia entre sus puntos de ebullición; y también el propósito de los diversos componentes de una columna de destilación. Existe una variedad de textos que explican estos conceptos en un nivel básico. A partir de tales requisitos previos, el propósito de esta serie de artículos es ampliar estos conceptos básicos al grado necesario para aplicaciones comerciales con fluidos reales, que normalmente no siguen un comportamiento ideal. También se asume que el lector está familiarizado con los conceptos de unidades molares, fracciones molares, la unión de elementos químicos, presión de vapor, calor latente de vaporización y el punto crítico de un compuesto, todos los cuales se encuentran en los libros de texto universitarios de primer año. Al discutir las relaciones matemáticas, se asume que los conceptos de diferenciación e integración son conocidos por el lector.
Si bien los clorosilanos y sus impurezas electrónicas se utilizan como ejemplos recurrentes, la tecnología desarrollada aquí tiene gran aplicación en otros compuestos ligeramente polares e hidrogenados, que normalmente se excluyen del tratamiento teórico en muchos textos. El homólogo de clorosilano comienza con silano (SiH 4) y concluye con tetracloruro de silicio (SiCl 4), ya que los enlaces Si-H se intercambian incrementalmente por enlaces Si-Cl.
Los clorosilanos (y muchas de las impurezas electrónicas) son compuestos de origen no natural, pero son clave para la fabricación de silicio de alta pureza (fotovoltaica solar y modernos circuitos integrados electrónicos, también conocidos como “chips de computadora”); así como productos químicos a base de silicio como siliconas y orgánicos/inorgánicos agentes de acoplamiento. Las aplicaciones para la ciencia de la destilación se encuentran tanto en las separaciones a granel de estos fluidos, como en la purificación mediante procesamiento de alto reflujo, a niveles de partes por mil millones.
Además, esta tecnología es aplicable a una amplia variedad de otros fluidos no orgánicos como refrigerantes, pre-cursores biológicos y pre-cursores farmacéuticos (es decir, no el producto biológico o farmacéutico final, sino los compuestos utilizados como catalizadores y agentes de construcción para ensamblar estos productos químicos especializados).
Para que la discusión de la Ciencia de la Destilación sea más genérica, la temperatura, la presión y el volumen molar (T, P y V) a menudo se expresan en unidades reducidas adimensionales, designadas respectivamente como T r, P r y V r. T r = T/T c; P r =P/P c; V r = V/V c. Por definición, T r =1, P r =1 y V r =1 simultáneamente en el punto crítico. Cuando la temperatura y la presión se dan como T y P, estas se encuentran en unidades absolutas de Kelvin y atmósferas. Para aquellos que están más familiarizados con las presiones en otras unidades absolutas como PSIA, bar absolute y Pascals absolute, convertir esas unidades a atmósferas absolutas se realiza fácilmente utilizando tablas de conversión y calculadoras accesibles por Internet.
- La Parte II, Ecuaciones de Presión de Vapor Existentes trata de las relaciones VP de componentes puros que se encuentran comúnmente en los libros de texto, así como sus limitaciones. Este artículo sienta las bases para artículos posteriores.
- La Parte III, Propiedades Críticas y Factor Acéntrico se ocupa de la tabulación de estas propiedades para fluidos seleccionados a partir de datos recopilados globalmente. Se discuten análisis y validación de datos, así como técnicas de estimación para aquellos fluidos para los que los datos son pobres o inexistentes. Las propiedades críticas se utilizan para convertir la temperatura, la presión y el volumen específico de unidades convencionales utilizadas tanto en química como en ingeniería química, a la forma reducida de la Parte IV. En las Partes V y VII, el valor del factor acéntrico es importante.
- La Parte IV, Nueva Ecuación de Presión de Vapor amplía los conceptos básicos de la Parte II y los resultados de la Parte III, para mostrar cómo una nueva ecuación de presión de vapor permite la práctica de aplicaciones de destilación a las presiones elevadas más comunes a industria. La culminación de este artículo es una ecuación termodinámicamente consistente que es válida entre el punto de ebullición atmosférico y el punto crítico, y que permite evaluar otras propiedades de destilación requeridas como densidades de fase saturada y calor latente de vaporización.
- La Parte V, Ecuación de Estado trata de las recomendaciones para la mejor EOS, así como las técnicas matemáticas para resolver tales formas de ecuaciones EOS no intrínsecas.
- La parte VI, Fugacidad trata de la salida de la aparente presión de vapor de componentes puros en mezclas binarias, como se encuentra comúnmente en la aplicación práctica de la ciencia de la destilación. Se dan las ecuaciones para evaluar los coeficentes de fugacidad.
- La Parte VII, Coeficiente de Actividad Líquida se ocupa de la aplicación y estimación de los Coeficientes de Actividad Líquida, tal como se encuentra comúnmente en la aplicación práctica de la Se revisan diversos modelos de Coeficiente de Actividad Líquida junto con algunos datos limitados y una técnica de estimación recomendada dada donde faltan datos.
- La Parte VIII, Métodos de Análisis VLE analiza la metodología recomendada utilizada cuando se recopilan datos en sistemas binarios, para asegurar que se minimizan los errores sistémicos. En este tema también se aborda la validación siempre que la recolección de datos se realice sobre fluidos reactivos, los cuales pueden desproporcionarse o dimerizar durante el estudio.
- La Parte IX, Poniéndolo Todo Junto muestra cómo combinar los componentes de los artículos científicos de destilación anteriores en una aplicación práctica.
- La Parte X, Estrategia de Convergencia ilustra cómo se obtienen mejor las soluciones para fluidos adicionales utilizando métodos de ecuación no intrínsecos o de bucle anidado, como las ecuaciones de presión de vapor recomendadas. Si bien este tema está más orientado a las matemáticas o a la informática que a la química, es una técnica necesaria para entender cuando se trata de la tecnología moderna. No se requieren matemáticas complejas.
| Notación | Uso | Unidades | Notación | Uso | Unidades |
|---|---|---|---|---|---|
| NBP | Punto de ebullición normal | °K | q | Exponente Watson | - |
| P, VP | Presión, Presión de Vapor | atmósferas | ΔH vap | Calor latente de Vaporización | Cal/g-mol |
|
P c |
Presión Crítica | atmósferas | ΔH vb | Calor latente @ T b | Cal/g-mol |
|
P r |
Presión Reducida | - | T-S ΔH vb | Parámetro de ecuación Thek-Stiel VP | Cal/g-mol |
|
R |
Constante de gas | Cal/g-mol°K | Z | compresibilidad | - |
| T | Temperatura | °K | Z V y Z L | compresibilidad de vapor y líquido saturados | - |
|
T b |
Temperatura @ Punto de ebullición normal | °K | ΔZ vap | (Z v -Z L) @ vaporización | - |
|
T c |
Temp Crítica | °K | α | Derivado de Riedel | - |
|
T r |
Temp Reducida | - | α c | α @ crítico | - |
|
T br |
T b reducido | - | \(\psi \nonumber\) | Derivado de presión de vapor | - |
|
V c |
Volumen Crítico | cc/g-mol | ø | coeficiente de fugacidad | - |
|
k |
Parámetro de unión H | - | \(\gamma \nonumber\) | coeficiente de actividad líquida | - |
| k ij | Coeficiente de interacción binaria | - | ω | factor acéntrico | - |
Unidades
Las unidades utilizadas en estos artículos son temperaturas en °K, presiones en atmósferas (absolutas) y volúmenes molares en cc/gram-mol. El peso molecular (MW) y la compresibilidad (Z) son adimensionales. Para las unidades anteriores, el valor de la constante de gas (R) es 82.057 ATM-CC/mole-°K.