Curvas de Destilación de Hidrocarburos

Las curvas de destilación de hidrocarburos son herramientas esenciales en la industria química y petrolera, permitiendo entender y optimizar los procesos de separación de mezclas líquidas. Comprender estas curvas, sus tipos y métodos de conversión es fundamental para ingenieros y estudiantes.

La destilación es un proceso de separación basado en las diferencias de los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla líquida. Al vaporizar parcialmente la mezcla y luego condensar la fracción vaporizada, se obtienen componentes más volátiles en el condensado, mientras que los componentes más pesados (menos volátiles) se concentran en la mezcla original. El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala la presión atmosférica del entorno.

Fundamentos de la Destilación de Hidrocarburos: Punto de Ebullición y Ley de Raoult

El concepto de punto de ebullición es central en la destilación. Por ejemplo, para el agua, este punto es 100°C a nivel del mar (760 mmHg). En una disolución, la Ley de Raoult describe la presión parcial de un disolvente ($P_A$) como el producto de su fracción molar ($X_A$) y su presión de vapor pura ($P_A^0$). Para una solución binaria con ambos componentes volátiles, la suma de las fracciones molares es 1 ($X_A + X_B = 1$).

Aplicaciones Industriales de la Destilación

El proceso de destilación es crucial en la fabricación de numerosos productos industriales, siendo aplicado en casi toda la industria química. En función de cómo operan, las columnas de destilación se clasifican en:

• Columnas batch (por lotes): La alimentación se introduce por lotes y el proceso se lleva a cabo hasta alcanzar el objetivo deseado, para luego introducir el siguiente lote. Se utilizan para pequeñas cantidades, como en la industria alimenticia, farmacéutica o de química fina.
• Columnas continuas: Ideales para destilar grandes volúmenes de producto. Estas columnas pueden ser binarias (dos componentes), multicomponentes o multiproducto.

También se clasifican por sus dispositivos internos, usando platos o empaques para maximizar el contacto líquido-vapor y mejorar la separación. Históricamente, la industria petrolera ha sido un motor clave para el desarrollo de la destilación continua.

Tipos de Curvas de Destilación de Hidrocarburos

Las curvas de destilación proporcionan información vital sobre la composición y el rendimiento de las fracciones de petróleo. Existen varios tipos:

Curva de Destilación Diferencial (ASTM D86)

Las curvas ASTM D86 son las más rutinarias. Se realizan mediante una destilación diferencial donde los vapores se retiran inmediatamente, aunque con un pequeño reflujo por pérdida de calor. Se usan para el control de calidad de productos y fracciones de petróleo crudo. Se registra la temperatura del vapor frente al volumen de destilado recuperado. La temperatura máxima de la prueba es de 370°C.

• Características: Poca separación de componentes debido a una única etapa de equilibrio y la ausencia de reflujo.
• Comparación con TBP: El Punto de Ebullición Inicial (IBP) para ASTM es más alto que el TBP, y el Punto de Ebullición Final (FBP) de ASTM es menor que el de la curva TBP.

Curva de Destilación con Rectificación (True Boiling Point, TBP - ASTM D2892)

Las curvas TBP (ASTM D2892) se usan para definir los rendimientos reales de los productos. Se realizan en una columna de rectificación (destilación fraccionada) con 14 a 18 platos teóricos (usualmente 15). Permiten establecer la cantidad real de fracciones en el producto. Hoy en día, a menudo se producen con técnicas de espectrometría de masas para mayor rapidez y precisión.

• Ventajas: Ofrecen rendimientos de los diferentes cortes en función del intervalo de temperatura de ebullición y permiten fijar condiciones operativas.
• Equipo ASTM D2892: Emplea equipos con capacidad de carga de 1.000 a 5.000 cm³ y una columna de fraccionamiento con calentador para emular una columna adiabática. La temperatura se registra al obtener la primera gota y cada 10% de destilado, hasta 370°C.

Curva de Vaporización Flash en Equilibrio (VFE)

La curva VFE se utiliza para definir las condiciones de temperatura/presión en la destilación. Los vapores se mantienen en contacto íntimo con el líquido hasta alcanzar la temperatura de separación de las dos fases en equilibrio. Indica la temperatura a la que se vaporizará un volumen requerido de destilado, el cual siempre está en equilibrio con su residuo líquido. Se desarrolla a presión atmosférica, y otras condiciones pueden determinarse con diagramas de fases o curvas de presión de vapor.

Destilación a Presión Reducida (ASTM D1160)

Dado que las pruebas ASTM D2892 y D86 se realizan a presión atmosférica y las muestras pueden descomponerse (craqueo) por encima de 380°C, se utiliza la destilación ASTM D1160 para productos pesados. Esta prueba es aplicable para productos que pueden vaporizarse parcial o completamente a temperaturas máximas de 400°C, en un rango de presión de 50 a 1 mmHg, y opera a una temperatura máxima de 535°C. Los resultados son valiosos para el diseño de equipos de destilación.

Destilación Simulada (ASTM D2887 y D5307)

Estos métodos de prueba estándar utilizan cromatografía de gases para determinar la distribución del intervalo de ebullición de fracciones de petróleo, ofreciendo una simulación de destilación.

Métodos de Conversión de Curvas de Destilación

Es común necesitar convertir un tipo de curva de destilación a otro para cálculos de ingeniería o diseño de procesos. Aquí se presentan métodos clave:

Conversión de ASTM D86 a TBP (ASTM D2892) y viceversa

Existen correlaciones y coeficientes para convertir temperaturas entre las curvas ASTM D86 y TBP. Por ejemplo, la ecuación T_TBP = a * T_ASTM^b (Ec. 2) permite esta conversión usando coeficientes a y b que varían según el porcentaje de volumen destilado. De manera inversa, la ecuación T_ASTM = a * T_TBP^b (Ec. 5) se usa para convertir de TBP a ASTM.

Método de Edmister-Okamoto para TBP a partir de ASTM

Este método es un procedimiento detallado para obtener la curva TBP a partir de datos experimentales ASTM D86:

1. Trazar la curva ASTM experimental.
2. Calcular los incrementos de temperatura $\Delta T_{ASTM}$ para intervalos de % volumen (0-10, 10-30, etc.).
3. Determinar la temperatura TBP al 50% vol. utilizando la temperatura ASTM al 50% vol. y la Gráfica 42.
4. Usar los $\Delta T_{ASTM}$ para determinar los $\Delta T_{TBP}$ correspondientes en la Gráfica 42.
5. Calcular las demás temperaturas TBP (0%, 10%, 30%, 70%, 90%, 100%) a partir de la TBP al 50% y los $\Delta T_{TBP}$ obtenidos.
6. Determinar el punto focal (temperatura y presión focal) mediante la Gráfica 41.
7. Trazar la curva TBP y obtener los valores de T_0% y T_100% a diferentes presiones.

Método de Edmister para Curvas de Vaporización en Equilibrio (VE) a Presiones Menores

Este método permite obtener la curva VE para destilación secundaria o al vacío (presiones menores a la atmosférica):

1. Trazar la curva TBP a 10 mmHg.
2. Determinar los incrementos $\Delta T_{VE}$ a partir de los $\Delta T_{TBP}$ en la Gráfica 57.
3. Con los valores de temperatura TBP al 50% y $\Delta T_{TBP}$ (10-30), se determina la temperatura VE al 50% en la Gráfica 56.
4. Para obtener la curva VE a cualquier presión menor, se determina la temperatura al 50% de la presión deseada y se ajustan los $\Delta T_{VE}$.

Conversión de TBP (ASTM D2892) a 10 mmHg desde D1160

La Ecuación 3 se usa para correlacionar las temperaturas TBP a diferentes porcentajes de destilado con las temperaturas D1160. Es importante notar que para fracciones destiladas superiores al 50% vol., los valores de las temperaturas de las curvas D1160 y TBP suelen ser iguales.

Conversión de TBP (ASTM D2892) de 10 mmHg a 760 mmHg

La Ecuación 4 es una correlación que permite calcular la temperatura TBP a 760 mmHg a partir de la temperatura TBP a 10 mmHg, considerando la presión a la que se realizó la destilación.

Método de Nelson para Curvas de Vaporización en Equilibrio (VE)

El método de Nelson se utiliza para obtener la curva VE a partir de una curva ASTM o TBP:

1. Trazar la curva ASTM o TBP.
2. Calcular la pendiente en el intervalo de 10-70% Vol. de destilado.
3. Con el valor de esta pendiente (ASTM o TBP), determinar la pendiente de la curva VE en la Gráfica 45.
4. Obtener el incremento de temperatura y luego la temperatura de la curva VE al 50% usando la Gráfica 45.
5. Con la temperatura VE al 50% y la pendiente VE (constante en toda la curva), se calculan las temperaturas VE al 0% y 100%.

Existe también una versión del Método de Nelson para intervalos restringidos, más precisa para curvas con irregularidades, que calcula una constante a partir de la relación de pendientes y luego aplica pendientes VE para intervalos específicos.

Método de Nelson (Presiones Mayores)

Para presiones mayores a la atmosférica, este método se aplica para obtener la curva VE:

1. Trazar la curva ASTM.
2. Determinar la temperatura media volumétrica ($T_{MV}$). Se calcula el promedio de temperaturas en el rango de 10% a 90%.
3. Calcular la pendiente de la curva ASTM en el intervalo 10-90%.
4. Calcular el parámetro R utilizando la pendiente y las temperaturas ASTM entre 10% y 90%.

Ejercicio Práctico: Obtención de Curva TBP a partir de ASTM

Supongamos que tenemos datos de una curva ASTM (ej. de un producto con %vol. y temperaturas en °C):

Utilizando los coeficientes y el Método de Edmister-Okamoto, podemos calcular las temperaturas TBP correspondientes para trazar la curva. La Gráfica 42 es fundamental para este proceso, permitiendo la conversión de los diferenciales de temperatura.

Preguntas Frecuentes sobre Curvas de Destilación de Hidrocarburos

¿Qué son las curvas de destilación de hidrocarburos y por qué son importantes?

Las curvas de destilación de hidrocarburos representan gráficamente la relación entre la temperatura y el porcentaje de volumen destilado de una mezcla líquida. Son cruciales porque permiten caracterizar el petróleo crudo y sus fracciones, predecir el rendimiento de productos como gasolinas, querosenos y diésel, y diseñar o simular unidades de destilación en refinerías e industrias químicas.

¿Cuál es la diferencia principal entre una curva ASTM y una TBP?

La diferencia principal radica en la eficiencia de separación. La curva ASTM (D86) es una destilación diferencial simple con poca separación, usada para control de calidad. En contraste, la curva TBP (D2892) se obtiene en una columna de rectificación con múltiples etapas teóricas, lo que resulta en una separación mucho más precisa de los componentes, reflejando el verdadero rango de ebullición de la mezcla y siendo fundamental para el diseño de procesos.

¿Cuándo se utiliza la destilación a presión reducida (ASTM D1160)?

La destilación ASTM D1160 se utiliza para caracterizar fracciones pesadas de petróleo o productos que se descompondrían a altas temperaturas (por encima de 380°C) bajo presión atmosférica. Al reducir la presión en el sistema, los componentes se vaporizan a temperaturas más bajas, evitando el craqueo térmico y permitiendo obtener su perfil de ebullición de forma segura y precisa, con temperaturas máximas de operación de hasta 535°C.

¿Cómo se convierte una curva ASTM a una curva TBP para el diseño de procesos?

Para convertir una curva ASTM a TBP, se utilizan métodos de correlación como el de Edmister-Okamoto o ecuaciones empíricas con coeficientes específicos. Estos métodos implican el cálculo de incrementos de temperatura ($\Delta T$) en diferentes rangos de porcentaje de volumen destilado y el uso de gráficas de correlación (como la Gráfica 42) para ajustar las temperaturas ASTM a sus equivalentes TBP. Esto es vital para el diseño de unidades de destilación ya que la curva TBP ofrece una representación más precisa de la separación real.

¿Qué es una curva de Vaporización Flash en Equilibrio (VFE)?

Una curva VFE describe la relación entre la temperatura y la fracción vaporizada de una mezcla cuando el líquido y el vapor están en equilibrio continuo. A diferencia de las destilaciones diferenciales, los vapores no se retiran inmediatamente, sino que permanecen en contacto con el líquido hasta que se alcanza el equilibrio a una temperatura y presión dadas. Esta curva es fundamental para determinar las condiciones de operación óptimas (temperatura y presión) para separaciones "flash" en equipos industriales, donde se busca una separación rápida de fases.