La distillazione frazionata è un tipo speciale di distillazione progettato per separare una miscela di due o più liquidi che hanno diversi punti di ebollizione. Il processo prevede il riscaldamento della miscela e la condensazione parziale dei vapori lungo una colonna (colonna di frazionamento), che è impostata in modo tale che i componenti con punti di ebollizione più bassi passino attraverso la colonna e siano raccolti prima dei componenti con punti di ebollizione più alti. Generalmente, questo metodo è usato quando i componenti bollono a meno di 25 °C l’uno dall’altro sotto una pressione di un’atmosfera (atm).
La tecnologia di separazione della distillazione frazionata è utile sia nella ricerca che nelle impostazioni industriali. Nell’industria, è comunemente usata nelle raffinerie di petrolio, negli impianti chimici e negli impianti di lavorazione del gas naturale. Allo stesso modo, se un campione di aria viene liquefatto, può essere separato nei suoi componenti per produrre ossigeno liquido, azoto liquido e argon. Inoltre, i clorosilani possono essere distillati per produrre silicio ad alta purezza da usare come semiconduttore.
Distillazione frazionata in laboratorio
Apparato
Una configurazione di laboratorio per la distillazione frazionata spesso comporta l’uso dei seguenti pezzi di apparecchi, messi insieme come mostrato nell’immagine a destra:
- una fonte di calore (come una piastra calda con un bagno)
- un pallone di distillazione (tipicamente un pallone a fondo rotondo)
- un pallone di ricezione (spesso un pallone afondo rotondo o un pallone conico)
- una colonna di frazionamento (colonna Vigreux)
- una testa di distillazione
- un termometro e un adattatore se necessario
- un condensatore (condensatore Liebig, condensatore Graham, o condensatore Allihn)
- un adattatore per il vuoto (per distillazioni sotto pressione ridotta)
- chips di ebollizione (noti anche come granuli anti-bumping)
- cuscinetti di gomma, a meno che non venga utilizzata vetreria da laboratorio con giunti in vetro smerigliato, come un apparato quickfit.
Procedura
L’apparato è assemblato come nel diagramma (che rappresenta un apparato batch, al contrario di un apparato continuo). La miscela viene messa in un pallone a fondo rotondo insieme ad alcuni granuli anti-bumping, e la colonna di frazionamento viene montata sulla bocca del pallone. Mentre la miscela bolle, il vapore risale la colonna. Il vapore si condensa sulle piattaforme di vetro, conosciute come vassoi, all’interno della colonna, e scende di nuovo nel liquido sottostante. Questo è noto come “riflusso” del distillato.
Solo la frazione più volatile dei vapori rimane in forma gassosa fino alla cima della colonna. Questa frazione passa nel condensatore, che la raffredda fino a liquefarsi, e questo liquido viene raccolto nel pallone ricevente.
L’efficienza in termini di quantità di riscaldamento e di tempo richiesto per ottenere il frazionamento può essere migliorata isolando l’esterno della colonna con un isolante come lana, foglio di alluminio o (preferibilmente) una camicia a vuoto. Il vassoio più caldo è in basso e quello più freddo è in alto. In condizioni di stato stazionario, il vapore e il liquido su ogni vassoio sono in equilibrio. Il frazionamento è più completo con l’aggiunta di più vassoi (fino a certe limitazioni pratiche).
Nella distillazione di laboratorio, può essere usato uno dei diversi tipi di condensatori. Il condensatore Liebig è semplicemente un tubo diritto all’interno di una camicia d’acqua, ed è la forma più semplice (e relativamente meno costosa) di condensatore. Il condensatore Graham è un tubo a spirale all’interno di una camicia d’acqua. Il condensatore Allihn ha una serie di costrizioni grandi e piccole sul tubo interno, ognuna delle quali aumenta la superficie su cui i costituenti del vapore possono condensare.
In configurazioni alternative, un adattatore “mucca” o “maiale” può essere usato, collegato a tre o quattro beute di ricezione. Girando la “mucca” o il “maiale”, i distillati possono essere incanalati nel ricevitore appropriato. Un triangolo Perkin può anche essere utilizzato per raccogliere frazioni di distillazione, senza richiedere un adattatore “mucca” o “maiale”. Un triangolo Perkin è usato più spesso quando i distillati sono sensibili all’aria, o quando le frazioni distillano e sono raccolte sotto pressione ridotta, ma può essere usato per distillazioni semplici e frazionate.
I sistemi di distillazione sotto vuoto operano a pressione ridotta, abbassando così il punto di ebollizione dei materiali.
Esempio
Considera la distillazione di una miscela di acqua ed etanolo. L’etanolo bolle a 78,5 °C e l’acqua a 100 °C. Su questa base, si dovrebbe essere in grado di separare i due componenti per distillazione frazionata. Tuttavia, una miscela di 96% di etanolo e 4% di acqua bolle a 78,2 °C, essendo più volatile dell’etanolo puro. Tale miscela è chiamata azeotropo. Quando la miscela viene riscaldata delicatamente, l’azeotropo (essendo il componente più volatile) si concentra in misura maggiore nel vapore e si separa prima dal resto del liquido. Così, la distillazione frazionata di una miscela di acqua ed etanolo produce il 96% di etanolo. Una volta che tutto l’etanolo ha bollito fuori dalla miscela, il termometro mostra un forte aumento della temperatura.
Distillazione industriale
La distillazione frazionata è la forma più comune di tecnologia di separazione usata nelle raffinerie di petrolio, negli impianti petrolchimici e chimici e negli impianti di lavorazione del gas naturale. Per esempio, questa tecnica è usata nelle raffinerie di petrolio per separare il petrolio greggio in sostanze utili (o frazioni) costituite da diversi idrocarburi con diversi punti di ebollizione. Le frazioni di petrolio greggio con punti di ebollizione più alti sono costituite da molecole più grandi (con più atomi di carbonio e pesi molecolari più alti), hanno un colore più scuro, sono più viscose e sono più difficili da accendere e da bruciare.
La maggior parte delle volte, il nuovo alimento viene continuamente aggiunto alla colonna di distillazione e i prodotti vengono continuamente rimossi. A meno che il processo non sia disturbato a causa di cambiamenti nell’alimentazione, nel calore, nella temperatura ambiente o nella condensazione, la quantità di alimentazione aggiunta e la quantità di prodotto rimosso sono normalmente uguali. Questo processo è noto come distillazione frazionata continua e stazionaria.
La distillazione industriale è tipicamente eseguita in grandi colonne cilindriche verticali note come “torri di distillazione o frazionamento” o “colonne di distillazione”. Il loro diametro varia da circa 65 centimetri a sei metri, e la loro altezza varia da circa sei metri a 60 metri o più. Le torri di distillazione hanno uscite di liquido a intervalli su per la colonna, permettendo il ritiro di diverse frazioni o prodotti con diversi punti di ebollizione o intervalli di ebollizione. I prodotti più “leggeri” (quelli con il punto di ebollizione più basso) escono dalla parte superiore delle colonne e i prodotti più “pesanti” (quelli con il punto di ebollizione più alto) escono dalla parte inferiore della colonna.
La distillazione frazionata è usata anche per la separazione dell’aria (liquefatta) nei suoi componenti, producendo ossigeno liquido, azoto liquido e argon di alta purezza. La distillazione dei clorosilani permette la produzione di silicio ad alta purezza da usare come semiconduttore.
Le torri industriali su larga scala usano il riflusso per ottenere una più completa separazione dei prodotti. Il reflusso si riferisce alla porzione di prodotto liquido condensato in testa da una torre di frazionamento che viene restituito alla parte superiore della torre, come mostrato nel diagramma schematico sulla destra. All’interno della torre, il liquido di riflusso che scorre verso il basso fornisce il raffreddamento necessario per condensare i vapori che scorrono verso l’alto, aumentando così l’efficacia della torre di distillazione. Più riflusso viene fornito per un dato numero di piastre teoriche, migliore è la capacità della torre di separare i materiali a bassa ebollizione da quelli a più alta ebollizione. In alternativa, più riflusso viene fornito per una data separazione desiderata, meno piastre teoriche sono richieste.
Negli usi industriali, a volte viene usato un materiale di imballaggio al posto dei vassoi all’interno della colonna, specialmente quando si opera a pressioni ridotte. Questo materiale di imballaggio può essere sia un imballaggio scaricato a caso (da uno a tre pollici di larghezza) come gli anelli Raschig o una lamiera strutturata. I liquidi tendono a bagnare la superficie dell’imballaggio e i vapori passano attraverso questa superficie bagnata, dove avviene il trasferimento di massa. A differenza della distillazione convenzionale a vassoio, in cui ogni vassoio rappresenta un punto separato di equilibrio vapore liquido, la curva di equilibrio vapore liquido in una colonna impaccata è continua. Tuttavia, quando si modellano le colonne imballate, è utile calcolare un numero di “piatti teorici” per indicare l’efficienza di separazione della colonna imballata rispetto ai vassoi più tradizionali. Imballaggi di forma diversa hanno diverse aree superficiali e spazio vuoto tra gli imballaggi. Entrambi questi fattori influenzano le prestazioni dell’imballaggio.
Progettazione di colonne di distillazione industriale
La progettazione e il funzionamento di una colonna di distillazione dipende dall’alimentazione e dai prodotti desiderati. Dato un’alimentazione semplice a componenti binari, si possono usare metodi analitici come il metodo McCabe-Thiele o l’equazione di Fenske. Per un’alimentazione multicomponente, vengono utilizzati modelli di simulazione sia per la progettazione che per il funzionamento.
Inoltre, le efficienze dei dispositivi di contatto vapore-liquido (indicati come piastre o vassoi) utilizzati nelle colonne di distillazione, come si vede nella figura due, sono tipicamente inferiori a quelle di uno stadio di equilibrio teorico efficiente al 100%. Quindi, una colonna di distillazione ha bisogno di più piastre rispetto al numero di stadi teorici di equilibrio vapore-liquido.
Vedi anche
- Azeotropo
- Punto di ebollizione
- Distillazione
- Etanolo
- Miscela
- Soluzione
- Solvente
Note
- Se la differenza dei punti di ebollizione è maggiore di 25 °C, si usa un metodo di distillazione semplice.
- Data la formazione di un azeotropo, l’etanolo non può essere completamente purificato dalla distillazione frazionata diretta di miscele etanolo-acqua.
- Henry Z. Kister, Distillation Design, 1a ed. (McGraw-Hill, 1992, ISBN 0-07-034909-6).
- 4.0 4.1 4.2 Robert H. Perry e Don W. Green, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6th ed. (McGraw-Hill, 1984, ISBN 0-07-049479-7).
- Milton, Beychok (maggio 1951). Soluzione algebrica del diagramma di McCabe-Thiele. Progresso dell’ingegneria chimica.
- J. D. Seader e Ernest J. Henley, Separation Process Principles (New York: Wiley, 1998, ISBN 0-471-58626-9).
- Clark, Shove Robinson. 2007. Elementi di distillazione frazionata. Blatter Press. ISBN 978-1406700435
- Kister, Henry Z. 1992. Design della distillazione. New York: McGraw-Hill. ISBN 0070349096
- Parkash, Surinder. 2003. Manuale dei processi di raffinazione. Amsterdam: Gulf Professional Pub. ISBN 978-0750677219
- Seader, J. D., and Ernest J. Henley. 1998. Principi del processo di separazione. New York: Wiley. ISBN 0471252417
- Stichlmair, Johann, and James R. Fair. 1998. Distillazione: Principles and Practices. New York: Wiley. ISBN 0471252417
- Vogel, Arthur Israel, e Brian S. Furniss. 1989. Vogel’s Textbook of Practical Organic Chemistry. Harlow: Pearson. ISBN 0582462363
Tutti i link recuperati il 21 aprile 2017.
- Definizione di distillazione frazionata
- Guida alla distillazione
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Crediti
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- Storia della distillazione frazionata
La storia di questo articolo da quando è stato importato su New World Encyclopedia:
- Storia di “Distillazione frazionata”
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