Condensador (laboratorio)

Para que una sustancia se condense a partir de un vapor puro, la presión de este último debe ser superior a la presión de vapor del líquido adyacente; es decir, el líquido debe estar por debajo de su punto de ebullición a dicha presión. En la mayoría de los diseños, el líquido es solo una fina película sobre la superficie interna del condensador, por lo que su temperatura es prácticamente la misma que la de dicha superficie. Por lo tanto, la consideración principal en el diseño o la elección de un condensador es asegurar que su superficie interna se encuentre por debajo del punto de ebullición del líquido.

Al condensarse el vapor, libera el calor de vaporización correspondiente , que tiende a elevar la temperatura de la superficie interna del condensador. Por lo tanto, un condensador debe ser capaz de disipar esa energía térmica con la suficiente rapidez para mantener la temperatura lo bastante baja, incluso con la máxima tasa de condensación prevista. Este problema puede solucionarse aumentando la superficie de condensación, reduciendo el grosor de la pared o proporcionando un disipador de calor suficientemente eficaz (como agua circulante) en el otro lado.

El condensador también debe dimensionarse de manera que el líquido condensado pueda salir a la velocidad máxima (masa por unidad de tiempo) a la que se espera que entre el vapor. Asimismo, debe tenerse cuidado para evitar que el líquido hirviendo entre en el condensador en forma de salpicaduras por ebullición explosiva o gotas que se forman al estallar las burbujas.

Se deben tener en cuenta consideraciones adicionales si el gas dentro del condensador no es vapor puro del líquido deseado, sino una mezcla con gases de punto de ebullición mucho más bajo (como puede ocurrir en la destilación seca , por ejemplo). En ese caso, debe considerarse la presión parcial de su vapor al determinar su temperatura de condensación. Por ejemplo, si el gas que ingresa al condensador es una mezcla de 25 % de vapor de etanol y 75 % de dióxido de carbono (en moles) a 100 kPa (presión atmosférica típica), la superficie de condensación debe mantenerse por debajo de 48  °C, el punto de ebullición del etanol a 25 kPa.

Además, si el gas no es vapor puro, la condensación creará una capa de gas con un contenido de vapor aún menor justo al lado de la superficie de condensación, lo que disminuirá aún más el punto de ebullición. Por lo tanto, el diseño del condensador debe garantizar que el gas esté bien mezclado o que todo él pase muy cerca de la superficie de condensación.

Finalmente, si la entrada al condensador es una mezcla de dos o más líquidos miscibles (como ocurre en la destilación fraccionada ), hay que tener en cuenta la presión de vapor y el porcentaje de gas de cada componente, que depende de la composición del líquido, así como de su temperatura; y todos estos parámetros suelen variar a lo largo del condensador.

La mayoría de los condensadores se pueden dividir en dos grandes clases.

Los condensadores concurrentes reciben el vapor a través de un puerto y suministran el líquido a través de otro, como se requiere en la destilación simple. Generalmente se montan verticalmente o inclinados, con la entrada de vapor en la parte superior y la salida de líquido en la parte inferior.

Los condensadores a contracorriente están diseñados para devolver el líquido hacia la fuente del vapor, como se requiere en la destilación por reflujo y fraccionada. Generalmente se montan verticalmente, sobre la fuente del vapor, que ingresa por la parte inferior. En ambos casos, el líquido condensado fluye de regreso a la fuente por su propio peso. ^{[ 4 ]}

La clasificación no es exclusiva, ya que varios tipos pueden utilizarse en ambos modos.

El tipo más simple de condensador es un tubo recto , enfriado únicamente por el aire circundante. El tubo se mantiene en posición vertical u oblicua, y el vapor se introduce por el extremo superior. El calor de condensación se disipa por convección .

El cuello de la retorta es un ejemplo clásico de condensador de tubo recto. Sin embargo, este tipo de condensador también puede ser un componente independiente. Los condensadores de tubo recto ya no se utilizan ampliamente en laboratorios de investigación, pero pueden emplearse en aplicaciones especiales y demostraciones escolares sencillas.

El destilador de cabeza plana es otro tipo antiguo de condensador refrigerado por aire. Consiste en un recipiente aproximadamente globular con una abertura en la parte inferior, por donde se introduce el vapor. El vapor se condensa en la pared interior del recipiente y gotea a lo largo de ella, acumulándose en la base de la cabeza plana y drenando luego a través de un tubo hacia un recipiente colector situado debajo. Un borde elevado alrededor de la abertura de entrada impide que el líquido se derrame. Al igual que en el condensador de tubo, el calor de condensación se disipa por convección natural. Cualquier vapor que no se condense en la cabeza plana puede condensarse en el cuello.

Actualmente, los condensadores de tipo cabezal fijo se utilizan muy poco en los laboratorios, y generalmente se les añade algún otro tipo de condensador de reflujo donde tiene lugar la mayor parte de la condensación.

El condensador Liebig es el diseño más simple con refrigerante circulante, fácil de construir y económico. Recibe su nombre de Justus von Liebig, ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} quien perfeccionó un diseño anterior de Weigel ^{[ 10 ]} y Göttling ^{[ 11 ]} y lo popularizó. Consta de dos tubos rectos de vidrio concéntricos, el interior es más largo y sobresale en ambos extremos. Los extremos del tubo exterior están sellados (generalmente por un anillo de vidrio soplado), formando una camisa de agua, y está provisto de puertos laterales cerca de los extremos para la entrada y salida del fluido refrigerante. Los extremos del tubo interior, que transporta el vapor y el líquido condensado, están abiertos.

En comparación con el simple tubo refrigerado por aire, el condensador Liebig es más eficiente para eliminar el calor de condensación y para mantener la superficie interior a una temperatura baja y estable.

El condensador West es una variante del tipo Liebig, con un diseño más estilizado, con cono y zócalo. La camisa de refrigerante más estrecha, integrada mediante fusión, puede proporcionar una refrigeración más eficiente en cuanto al consumo de refrigerante.

El condensador Allihn o condensador de bulbo recibe su nombre de Felix Richard Allihn (1854-1915). ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} El condensador Allihn consta de un tubo largo de vidrio con una camisa de agua . Una serie de bulbos en el tubo aumenta la superficie sobre la cual se condensan los componentes del vapor. Es ideal para el reflujo a escala de laboratorio ; de hecho, el término condensador de reflujo a menudo se refiere específicamente a este tipo.

Un condensador Davies , también conocido como condensador de doble superficie , es similar al condensador Liebig, pero con tres tubos de vidrio concéntricos en lugar de dos. El refrigerante circula tanto por la camisa exterior como por el tubo central. Esto aumenta la superficie de enfriamiento, de modo que el condensador puede ser más corto que un condensador Liebig equivalente. Según Alan Gall, archivero del Instituto de Ciencia y Tecnología de Sheffield, Inglaterra, el catálogo de 1981 de Adolf Gallenkamp & Co. de Londres (fabricantes de aparatos científicos) afirma que el condensador Davies fue inventado por James Davies, director de la empresa Gallenkamp. ^{[ 15 ]} En 1904, Gallenkamp ofrecía a la venta "Condensadores Davies". ^{[ 16 ]} En 1920, Gallenkamp incluyó a "J. Davies" como director de la empresa. ^{[ 17 ]}

Un condensador Graham o Grahams tiene una serpentina espiral con camisa de refrigerante que recorre toda su longitud y sirve como vía de condensación del vapor. No debe confundirse con el condensador de serpentín. Los tubos serpentinos internos del condensador proporcionan una mayor superficie de enfriamiento, por lo que su uso es más recomendable. Sin embargo, su desventaja radica en que, a medida que los vapores se condensan, tienden a ascender por el tubo para evaporarse, lo que también puede provocar la inundación de la mezcla de solución. ^{[ 18 ]} También se le conoce como condensador de Hacienda debido a la aplicación para la que fue desarrollado.

Un condensador de serpentín es esencialmente un condensador Graham con una configuración invertida de refrigerante-vapor. Cuenta con un serpentín en espiral que recorre toda la longitud del condensador, por donde fluye el refrigerante, y este serpentín está revestido por el conducto de vapor-condensado.

Un condensador Dimroth , también conocido como condensador espiral , llamado así en honor a Otto Dimroth , es algo similar al condensador de serpentín; tiene una doble espiral interna por la que fluye el refrigerante, de manera que la entrada y la salida del refrigerante se encuentran en la parte superior. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Los vapores viajan a través de la camisa de abajo hacia arriba. Los condensadores Dimroth son más eficaces que los condensadores de serpentín convencionales. Se encuentran frecuentemente en evaporadores rotatorios que pueden utilizar una disposición más elaborada con varias espirales. También existe una versión del condensador Dimroth con una camisa externa, como en un condensador Davies, para aumentar aún más la superficie de enfriamiento.

Un dedo frío es un dispositivo de enfriamiento en forma de tubo vertical que se enfría internamente y se sumerge en el vapor, sostenido únicamente por el extremo superior. Puede ser de enfriamiento por flujo, con ambos puertos de refrigerante en la parte superior, o de tipo abierto, donde simplemente se coloca refrigerante líquido o sólido en su interior. El vapor se condensa en la varilla y gotea desde el extremo libre hasta llegar al recipiente colector. Un dedo frío puede ser un equipo independiente o formar parte de un condensador de otro tipo. También se utilizan para condensar vapores producidos por sublimación, en cuyo caso el resultado es un sólido que se adhiere al dedo y debe rasparse, o como trampa fría , donde el condensado líquido o sólido no debe regresar a la fuente del vapor (a menudo se utiliza para proteger las bombas de vacío o evitar la liberación de gases nocivos).

El condensador Friedrichs (a veces escrito incorrectamente como Friedrich's ) fue inventado por Fritz Walter Paul Friedrichs , quien publicó un diseño para este tipo de condensador en 1912. ^{[ 21 ]} Consiste en un gran dedo refrigerado por agua, ajustado firmemente dentro de una carcasa cilíndrica ancha. El dedo tiene una cresta helicoidal a lo largo de su longitud, de modo que deja un estrecho camino helicoidal para el vapor. Esta disposición obliga al vapor a permanecer mucho tiempo en contacto con el dedo.

La columna Vigreux , que recibe su nombre del soplador de vidrio francés Henri Vigreux (1869-1951), quien la inventó en 1904, consiste en un tubo de vidrio ancho con múltiples "dedos" internos de vidrio que apuntan hacia abajo. Cada "dedo" se crea fundiendo una pequeña sección de la pared y empujando el vidrio blando hacia adentro. El vapor que entra por la abertura inferior se condensa en los dedos y gotea desde ellos. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Generalmente se enfría por aire, pero puede tener una camisa de vidrio exterior para la refrigeración forzada por fluido.

La columna Snyder es un tubo de vidrio ancho dividido en secciones (generalmente de 3 a 6) por tabiques o constricciones horizontales de vidrio. Cada tabique tiene un orificio en el que se aloja una perla de vidrio hueca con forma de lágrima invertida. Unos "dedos" de vidrio, similares a los de Vigreux, limitan el movimiento vertical de cada perla. ^{[ 24 ]} Estos tapones de vidrio flotantes actúan como válvulas de retención, abriéndose y cerrándose con el flujo de vapor y mejorando la mezcla de vapor y condensado. Una columna Snyder puede utilizarse con un concentrador Kuderna-Danish para separar eficazmente un disolvente de extracción de bajo punto de ebullición , como el cloruro de metileno, de componentes volátiles del extracto con puntos de ebullición más altos (por ejemplo, tras la extracción de contaminantes orgánicos del suelo). ^{[ 25 ]}

La columna de Widmer fue desarrollada como proyecto de investigación doctoral por el estudiante Gustav Widmer en la ETH Zúrich a principios de la década de 1920, combinando una disposición de tubos concéntricos tipo Golodetz y la varilla con núcleo espiral tipo Dufton. Consta de cuatro tubos de vidrio concéntricos y una varilla de vidrio central, con una varilla de vidrio más delgada enrollada a su alrededor para aumentar la superficie. Los dos tubos exteriores (n.° 3 y n.° 4) forman una cámara de aire muerto aislante (sombreada). El vapor asciende desde un matraz de ebullición al espacio (1), sube a través del espacio entre los tubos n.° 2 y n.° 3, luego baja por el espacio entre los tubos n.° 1 y n.° 2, y finalmente sube entre el tubo n.° 1 y la varilla central. Al llegar al espacio (3), el vapor se dirige a través de un cabezal de destilación (adaptador de ramificación de vidrio) para su enfriamiento y recolección. ^{[ 26 ] [ 1 ] [ 27 ]}

LP Kyrides informó en 1940 que un diseño de columna Widmer modificado, aunque no documentado, estaba ampliamente en uso. ^{[ 28 ]}

Una columna de relleno es un condensador utilizado en la destilación fraccionada . Su componente principal es un tubo lleno de objetos pequeños para aumentar la superficie y el número de platos teóricos . El tubo puede ser el conducto interno de algún otro tipo, como Liebig o Allhin. ^{[ 3 ]} Estas columnas pueden alcanzar recuentos de platos teóricos de 1 a 2 por cada 5  cm de longitud de relleno. ^{[ 29 ]}

Se ha utilizado una gran variedad de materiales de empaque y formas de objetos, incluyendo cuentas, anillos o hélices (como los anillos de Fenske, Raschig o Lessing ) de vidrio, porcelana , aluminio , cobre , níquel o acero inoxidable ; alambres de nicromo e inconel (similares a las columnas de Podbielniak ), malla de acero inoxidable ( anillos de Dixon ), etc. ^{[ 29 ] [ 3 ]} Se conocen combinaciones específicas como columnas de Hempel , Todd y Stedman . ^{[ 3 ]}

• La destilación por banda giratoria utiliza una banda helicoidal giratoria (accionada por un motor) dentro de un tubo recto para aumentar la mezcla del vapor ascendente y el líquido de reflujo descendente.
• Las columnas Oldershaw tienen el mismo principio de funcionamiento que las columnas de platos industriales . Son muy eficientes para el fraccionamiento, pero presentan una retención significativa (la cantidad de líquido en la columna durante su uso) y su complejidad las convierte en uno de los tipos de columnas de vidrio más caros.
• Los tubos rectos , o condensadores de aire , que no son más que un tubo recto, pueden utilizarse como una columna de reflujo rudimentaria.
• Las columnas de pera constan de múltiples segmentos bulbosos con forma de pera invertida.