Destilação fraccionada é um tipo especial de destilação concebido para separar uma mistura de dois ou mais líquidos que têm diferentes pontos de ebulição. O processo envolve o aquecimento da mistura e condensação parcial dos vapores ao longo de uma coluna (coluna fraccionada), que é montada de modo a que os componentes com pontos de ebulição mais baixos passem através da coluna e sejam recolhidos mais cedo do que os componentes com pontos de ebulição mais altos. Geralmente, este método é utilizado quando os componentes cozem a menos de 25 °C uns dos outros sob uma pressão de uma atmosfera (atm).
A tecnologia de separação da destilação fraccionada é útil tanto na investigação como em ambientes industriais. Na indústria, é normalmente utilizada em refinarias de petróleo, instalações químicas, e instalações de processamento de gás natural. Do mesmo modo, se uma amostra de ar for liquefeita, pode ser separada nos seus componentes para produzir oxigénio líquido, azoto líquido, e argónio. Também, clorosilanos podem ser destilados para produzir silício de alta pureza para utilização como semicondutor.
Destilação fraccional num laboratório
Apparatus
Um aparelho de laboratório para destilação fraccionada envolve frequentemente a utilização das seguintes peças de aparelho, colocadas juntas como se mostra na imagem à direita:
- uma fonte de calor (como uma placa quente com banho)
- um balão de destilação (tipicamente um balão de fundo redondo)
- um balão receptor (frequentemente um balão redondo…frasco inferior ou frasco cónico)
- uma coluna de fraccionamento (coluna Vigreux)
- uma cabeça de destilação
- um termómetro e adaptador se necessário
- um condensador (condensador Liebig, Condensador Graham, ou condensador Allihn)
- um adaptador de vácuo (para destilações sob pressão reduzida)
- lascas de ebulição (também conhecido como grânulos anti-bomba)
- batoques de borracha, a menos que se utilize material de laboratório com juntas de vidro esmerilado, tal como um aparelho de encaixe rápido.
Procedimento
O aparelho é montado como no diagrama (que representa um aparelho de lote, em oposição a um aparelho contínuo). A mistura é colocada num balão de fundo redondo juntamente com alguns grânulos anti-bumping, e a coluna fraccionadora é colocada sobre a boca do balão. À medida que a mistura ferve, o vapor sobe na coluna. O vapor condensa-se nas plataformas de vidro, conhecidas como tabuleiros, dentro da coluna, e desce de novo para o líquido abaixo. Isto é conhecido como “refluxo” do destilado.
Apenas a fracção mais volátil dos vapores permanece em forma gasosa até ao topo da coluna. Esta fracção passa para o condensador, que arrefece até liquefazer, e este líquido é recolhido no recipiente receptor.
A eficiência em termos da quantidade de aquecimento e tempo necessário para obter o fraccionamento pode ser melhorada isolando o exterior da coluna com um isolante como lã, folha de alumínio, ou (de preferência) uma camisa de vácuo. O tabuleiro mais quente está na parte inferior e o mais fresco está na parte superior. Em condições estáveis, o vapor e o líquido em cada tabuleiro estão em equilíbrio. O fraccionamento é mais completo com a adição de mais tabuleiros (até certas limitações práticas).
Na destilação de laboratório, qualquer um de vários tipos de condensadores pode ser utilizado. O condensador Liebig é simplesmente um tubo direito dentro de uma camisa de água, e é a forma mais simples (e relativamente menos dispendiosa) de condensador. O condensador Graham é um tubo em espiral dentro de uma camisa de água. O condensador Allihn tem uma série de grandes e pequenas constrições no tubo interior, cada uma aumentando a área de superfície sobre a qual os constituintes do vapor podem condensar.
Em configurações alternativas, pode ser utilizado um adaptador “vaca” ou “porco”, ligado a três ou quatro frascos receptores. Ao transformar a “vaca” ou “porco”, os destilados podem ser canalizados para o receptor apropriado. Um triângulo Perkin também pode ser utilizado para recolher fracções de destilação, sem necessidade de um adaptador “vaca” ou “porco”. Um triângulo Perkin é mais frequentemente utilizado quando os destilados são sensíveis ao ar, ou quando as fracções destilam e são recolhidas sob pressão reduzida, mas pode ser utilizado tanto para destilações simples como fraccionadas.
p>Sistemas de destilação a vácuo funcionam a pressão reduzida, baixando assim o ponto de ebulição dos materiais.
Exemplo
Destilação industrial
Destilação fraccionada é a forma mais comum de tecnologia de separação utilizada em refinarias de petróleo, instalações petroquímicas e químicas, e instalações de processamento de gás natural. Por exemplo, esta técnica é utilizada nas refinarias de petróleo para separar o petróleo bruto em substâncias (ou fracções) úteis que consistem em diferentes hidrocarbonetos com diferentes pontos de ebulição. As fracções de petróleo bruto com maiores pontos de ebulição consistem em moléculas maiores (com mais átomos de carbono e maiores pesos moleculares), são mais escuras na cor, são mais viscosas, e são mais difíceis de inflamar e de queimar.
A maior parte das vezes, novas rações são continuamente adicionadas à coluna de destilação, e os produtos são continuamente removidos. A menos que o processo seja perturbado devido a alterações na alimentação, calor, temperatura ambiente ou condensação, a quantidade de alimentação a ser adicionada e a quantidade de produto a ser removida são normalmente iguais. Isto é conhecido como destilação fraccionada contínua e em estado estável.
Destilação industrial é normalmente realizada em grandes colunas cilíndricas verticais, conhecidas como “torres de destilação ou fraccionamento” ou “colunas de destilação”. Os seus diâmetros variam de cerca de 65 centímetros a seis metros, e as suas alturas variam de cerca de seis metros a 60 metros ou mais. As torres de destilação têm saídas de líquido em intervalos a montante da coluna, permitindo a retirada de diferentes fracções ou produtos com diferentes pontos de ebulição ou intervalos de ebulição. Os produtos “mais leves” (aqueles com o ponto de ebulição mais baixo) saem do topo das colunas e os produtos “mais pesados” (aqueles com o ponto de ebulição mais alto) saem do fundo da coluna.
Destilação fraccional é também utilizada para a separação do ar (liquefeito) nos seus componentes, produzindo oxigénio líquido, azoto líquido, e árgon de alta pureza. A destilação de clorosilanos permite a produção de silício de alta pureza para utilização como semicondutor.
Torres industriais de grande escala utilizam refluxo para obter uma separação mais completa dos produtos. Refluxo refere-se à parte do produto líquido condensado de uma torre de fraccionamento que é devolvida à parte superior da torre, como se mostra no diagrama esquemático à direita. Dentro da torre, o líquido de refluxo que flui para baixo proporciona o arrefecimento necessário para condensar os vapores que fluem para cima, aumentando assim a eficácia da torre de destilação. Quanto mais refluxo for fornecido para um determinado número de pratos teóricos, melhor será a capacidade da torre para separar materiais com menor ebulição de materiais com maior ebulição. Em alternativa, quanto mais refluxo for fornecido para uma determinada separação desejada, menos placas teóricas são necessárias.
Em utilizações industriais, por vezes é utilizado um material de embalagem em vez de tabuleiros dentro da coluna, especialmente quando se trabalha sob pressões reduzidas. Este material de empacotamento pode ser de embalagem despejada ao acaso (uma a três polegadas de largura), como anéis Raschig ou chapa metálica estruturada. Os líquidos tendem a molhar a superfície da embalagem e os vapores passam através desta superfície molhada, onde ocorre a transferência de massa. Ao contrário da destilação convencional em tabuleiro, em que cada tabuleiro representa um ponto separado de equilíbrio do líquido vapor, a curva de equilíbrio do líquido vapor numa coluna de enchimento é contínua. Contudo, ao modelar colunas embaladas, é útil calcular um número de “pratos teóricos” para denotar a eficiência de separação da coluna embalada em relação aos tabuleiros mais tradicionais. As embalagens de formas diferentes têm áreas de superfície diferentes e espaço vazio entre as embalagens. Ambos estes factores afectam o desempenho da embalagem.
Design de colunas de destilação industrial
Design e funcionamento de uma coluna de destilação depende da alimentação e dos produtos desejados. Dada uma alimentação simples de componentes binários, podem ser utilizados métodos analíticos tais como o método McCabe-Thiele ou a equação de Fenske. Para uma alimentação de componentes múltiplos, são utilizados modelos de simulação tanto para a concepção como para a operação.
Além disso, a eficiência dos dispositivos de contacto vapor-líquido (referidos como placas ou tabuleiros) utilizados nas colunas de destilação, como se vê na Figura dois, é tipicamente inferior à de uma fase teórica de equilíbrio de 100% de eficiência. Assim, uma coluna de destilação necessita de mais pratos do que o número de estágios teóricos de equilíbrio vapor-liquido.
Veja também
- Azeotropo
- Ponto de escoamento
- Destilação
- Etanol
- Mistura
- Solução
- Solvente
Notas
- Se a diferença de pontos de ebulição for superior a 25 °C, é utilizado um método de destilação simples.
- Dada a formação de um azeótropo, o etanol não pode ser completamente purificado por destilação fraccionada directa de misturas etanol-água.
- 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, 6ª ed., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6ª ed. (McGraw-Hill, 1984, ISBN 0-07-049479-7).
- J. D. Seader e Ernest J. Henley, Separation Process Principles (Nova Iorque: Wiley, 1998, ISBN 0-471-58626-9).
Milton, Beychok (Maio de 1951). Solução algébrica do Diagrama McCabe-Thiele. Progresso da Engenharia Química.
- Clark, Shove Robinson. 2007. Elementos de Destilação Fracionária. Blatter Press. ISBN 978-1406700435
- Kister, Henry Z. 1992. Desenho de Destilação. Nova Iorque: McGraw-Hill. ISBN 0070349096
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li>Vogel, Arthur Israel, e Brian S. Furniss. 1989. O Manual de Química Orgânica Prática da Vogel. Harlow: Pearson. ISBN 0582462363
Todos os links recuperados a 21 de Abril de 2017.
- Fractional Distillation Definition
- Distillation Guide
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Créditos
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- li> História da destilação fraccional
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