Volatilidad relativa

La volatilidad relativa es una medida que compara las presiones de vapor de los componentes en una mezcla líquida de sustancias químicas. Esta magnitud se utiliza ampliamente en el diseño de grandes procesos de destilación industrial. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} En efecto, indica la facilidad o dificultad de utilizar la destilación para separar los componentes más volátiles de los menos volátiles en una mezcla. Por convención, la volatilidad relativa se suele denotar como${\displaystyle \alpha }$.

Las volatilidades relativas se utilizan en el diseño de todo tipo de procesos de destilación, así como en otros procesos de separación o absorción que implican el contacto de fases de vapor y líquido en una serie de etapas de equilibrio .

Las volatilidades relativas no se utilizan en procesos de separación o absorción que implican la reacción de componentes entre sí (por ejemplo, la absorción de dióxido de carbono gaseoso en soluciones acuosas de hidróxido de sodio ).

Para una mezcla líquida de dos componentes (llamada mezcla binaria ) a una temperatura y presión dadas , la volatilidad relativa se define como

${\displaystyle \alpha ={\frac {(y_{i}/x_{i})}{(y_{j}/x_{j})}}=K_{i}/K_{j}}$

Cuando sus concentraciones líquidas son iguales, los componentes más volátiles tienen presiones de vapor más altas que los componentes menos volátiles. Por lo tanto, ${\displaystyle K}$valor (=${\displaystyle y/x}$) para un componente más volátil es mayor que un${\displaystyle K}$valor para un componente menos volátil. Eso significa que${\displaystyle \alpha }$≥ 1 ya que el mayor${\displaystyle K}$El valor del componente más volátil está en el numerador y el del componente más pequeño en el numerador.${\displaystyle K}$del componente menos volátil está en el denominador.

${\displaystyle \alpha }$es una cantidad sin unidades. Cuando las volatilidades de ambos componentes clave son iguales,${\displaystyle \alpha }$= 1 y la separación de los dos por destilación sería imposible bajo las condiciones dadas porque las composiciones de la fase líquida y la fase de vapor son las mismas ( azeotropo ). A medida que el valor de${\displaystyle \alpha }$A medida que aumenta por encima de 1, la separación por destilación se vuelve progresivamente más fácil.

Una mezcla líquida que contiene dos componentes se denomina mezcla binaria. Al destilar una mezcla binaria, rara vez se logra la separación completa de los dos componentes. Por lo general, la fracción superior de la columna de destilación se compone principalmente del componente más volátil y una pequeña cantidad del componente menos volátil, mientras que la fracción inferior se compone principalmente del componente menos volátil y una pequeña cantidad del componente más volátil.

Una mezcla líquida que contiene muchos componentes se denomina mezcla multicomponente. Cuando se destila una mezcla multicomponente, la fracción superior y la fracción inferior suelen contener mucho más de uno o dos componentes. Por ejemplo, algunos productos intermedios en una refinería de petróleo son mezclas líquidas multicomponentes que pueden contener hidrocarburos alcanos , alquenos y alquinos, desde metano , con un átomo de carbono, hasta decanos , con diez átomos de carbono. Para destilar dicha mezcla, la columna de destilación puede diseñarse (por ejemplo) para producir:

• Una fracción superior que contiene predominantemente los componentes más volátiles, que van desde el metano (con un átomo de carbono) hasta el propano (con tres átomos de carbono).
• Una fracción de fondo que contiene predominantemente los componentes menos volátiles, que van desde el isobutano (con cuatro átomos de carbono) hasta los decanos (con diez átomos de carbono).

Dicha columna de destilación se denomina normalmente despropanizador.

El diseñador designaría como componentes clave para el diseño de separación el propano como la denominada clave ligera (LK) y el isobutano como la denominada clave pesada (HK) . En este contexto, un componente ligero es aquel con un punto de ebullición más bajo (o una presión de vapor más alta), y un componente pesado es aquel con un punto de ebullición más alto (o una presión de vapor más baja).

Así, para la destilación de cualquier mezcla multicomponente, la volatilidad relativa se define a menudo como

${\displaystyle \alpha ={\frac {(y_{LK}/x_{LK})}{(y_{HK}/x_{HK})}}=K_{LK}/K_{HK}}$

La destilación industrial a gran escala rara vez se lleva a cabo si la volatilidad relativa es inferior a 1,05. ^{[ 2 ]}

Los valores de${\displaystyle K}$Se han correlacionado empírica o teóricamente en términos de temperatura, presión y composiciones de fase en forma de ecuaciones, tablas o gráficos como los conocidos diagramas de DePriester . ^{[ 4 ]}

${\displaystyle K}$Estos valores se utilizan ampliamente en el diseño de columnas de destilación a gran escala para destilar mezclas multicomponentes en refinerías de petróleo, plantas petroquímicas y químicas , plantas de procesamiento de gas natural y otras industrias.

• Destilación continua – Forma de destilación 
• Destilación fraccionada : separación de una mezcla en sus componentes. 
• Destilación al vacío : método de destilación a baja presión y baja temperatura. 
• Columna de fraccionamiento : equipo para separar líquidos por destilación. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento. 
• Diagrama de fases : Gráfico utilizado para mostrar las condiciones en las que se producen las fases físicas de una sustancia. 
• Placa teórica – Etapa hipotética de la materia 
• Método McCabe-Thiele : técnica de ingeniería química. 
• Ecuación de Fenske : ecuación utilizada en ingeniería química. 
• Evaporación instantánea §  Evaporación instantánea en equilibrio de un líquido multicomponente
• Volatilidad (química) : Tendencia de una sustancia a vaporizarse. 

• 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)
• Principios de destilación por Ming T. Tham, Universidad de Newcastle upon Tyne (desplácese hacia abajo hasta Volatilidad relativa)