Distilare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Detaliu al unei instalații de distilare cu efect dublu pentru recuperarea solventului, utilizată pentru tratarea țițeiului .

Distilarea este o tehnică utilizată pentru a separa două sau mai multe substanțe prezente într-un amestec . Profitați de diferența dintre punctele de fierbere ale acestor substanțe, adică diferența lor de volatilitate . [1]

Se utilizează atât pentru a separa amestecuri complexe (obținând la ieșire mai multe amestecuri, fiecare având o compoziție diferită), cât și pentru a purifica substanțe individuale (obținând la ieșire un flux care conține substanța dorită la o puritate ridicată și un flux de deșeuri care conține impuritățile prezente în „Alimentarea cu energie electrică).

Este o tehnică cunoscută încă din Evul Mediu , aplicată inițial producției de băuturi alcoolice . Ulterior a fost aplicat în numeroase procese chimice , inclusiv în separarea țițeiului în diferitele sale componente (denumită „ topping ”).

Echipamentul utilizat pentru efectuarea acestei operațiuni se numește coloană de distilare (sau coloană de rectificare [2] )

Etimologia și semnificația termenului

Din punct de vedere etimologic, termenul „distilare” înseamnă „separare picătură cu picătură”. [3] În cele mai vechi timpuri, acest termen era folosit pentru a indica indistinct toate tehnicile de separare cunoscute, inclusiv filtrarea , cristalizarea și extracția uleiului . [3] Ulterior a fost folosit pentru a indica tehnicile de separare obținute prin evaporarea și condensarea unui vapor. [3]

Înțelesul mai general al termenului "distilare" continuă să fie utilizat în cazul " distilării apei " (un proces care face posibilă purificarea apei de mare prin reducerea concentrației de săruri dizolvate în ea. [4] ) și „ distilare uscată ” (unde furajele constau din materiale solide [5] ).

Cu toate acestea, în domeniul ingineriei instalațiilor există o tendință de a face distincția între distilarea propriu-zisă (care privește separarea a două sau mai multe componente fluide datorită diferenței lor de volatilitate) și desalinizare (care este atribuită în schimb operației de evaporare unitară [4] ).

fundal

Reprezentarea echipamentelor antice utilizate pentru obținerea esențelor prin distilare.

Potrivit scriitorului Synesius of Cyrene încă din anul 4000 î.Hr. egiptenii distillau vin și cidru pentru a produce alte băuturi alcoolice [6] ( lichioruri și băuturi spirtoase ).

În China , în jurul anului 2000 î.Hr., prin distilarea plantelor medicinale, s-au obținut esențe care au fost folosite mai presus de toate de către cele mai bogate clase. [7]

Săpăturile arheologice din Pakistan au arătat că tehnica distilării alcoolului era deja cunoscută popoarelor din Mesopotamia în 500 î.Hr., dar utilizarea sa a devenit obișnuită între 150 î.Hr.și 350 d.Hr. [8] , chiar și în rândul alchimiștilor greci [9] [10] [ 11] .

Potrivit lui KB Hoffmann, începem să vorbim despre destillatio per descensum în jur de 400 , datorită fizicianului grec Aethius din Amida . Hipatia a inventat în schimb unul dintre primele echipamente de distilare [12] .

În secolul al VIII-lea d.Hr., chimiștii arabi și persani (inclusiv Jabir ibn Hayyan ) au izolat și purificat substanțe chimice prin distilare în scopuri industriale, de exemplu pentru a izola esterii naturali (utilizați în parfumerie) și pentru a produce alcool pur. [13] În special, producția de alcool prin distilare se datorează chimistului arab Al-Kindi . [14]

În secolul al IX-lea d.Hr., chimistul persan Rhazes a distilat petrolul pentru prima dată, obținând kerosen . [15] În secolul al XI-lea, Avicenna a obținut ulei esențial prin metoda distilării cu abur . [16]

Distilarea a fost introdusă în Europa medievală în secolul al XII-lea prin traducerea tratatelor de chimie arabă. În 1500 , alchimistul german Hieronymus Braunschweig a publicat Liber de arte destillandi [17], care a fost urmat în 1651 de The French Art of Distillation, de John French . [18]

Reprezentare tipărită a fotografiilor publicate în numărul din 1740 al Acta Eruditorum referitoare la o parte a articolului Commentarii Academiae scientiarum imperialis Petropolitane

În secolul al XVII-lea, Robert Boyle a efectuat câteva experimente privind distilarea sub vid și în interiorul echipamentelor sub presiune, [19] izolând metanolul pentru prima dată (în 1661 ) prin distilarea lemnului .

Diagrama aparatului Coffey utilizat pentru distilarea benzenului (1830).

În secolul al XIX-lea , au fost introduse tehnici de preîncălzire și reciclare. [20] În aceeași perioadă, Jean-Baptiste Cellier Blumenthal a fost responsabil pentru brevetul unuia dintre primele echipamente de distilare continuă ( 1813 ). [19] Acest brevet a fost urmat de construirea unui aparat de distilare sub vid de către Henry Tritton (1828) [19] și ulterior (în 1830 ) o coloană de distilare cu plăci perforate a fost brevetată de Aeneas Coffey pentru producția de whisky . [19] [21]

În 1845, chimistul englez Charles Mansfield a separat benzenul de gudron prin distilare .

Invenția coloanei cu plăci în formă de clopot pentru utilizări industriale datează din Champonnois ( 1854 ). [22]

În 1873, Robert Ilges a introdus utilizarea coloanei umplute pentru a efectua operația de distilare. [22]

Un brevet american al lui Ernest Solvay al unei coloane de plăci pentru distilarea amoniacului datează din 1877 . [23]

Urmând exemplul lui Ilges, în 1881 Hempel a introdus în laborator coloana de distilare umplută cu margele de sticlă. [22]

În 1925, a fost prezentată o metodă grafică pentru dimensionarea coloanelor de distilare, cunoscută sub numele de metoda McCabe-Thiele . [24] În 1932 a fost apoi dezvoltată ecuația Fenske [25] , care permite estimarea analitică a numărului de plăci ale unei coloane de distilare și a raportului de reflux .

Distilarea în laborator

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Coloana Vigreux și Alembic .

Cel mai vechi dispozitiv folosit pentru efectuarea distilării în laborator ia numele de alambic și invenția sa este atribuită chimistului islamic Jabir ibn Hayyan (între secolele VIII și IX ).

Coloana de distilare a sticlei utilizată în aplicații de laborator se numește coloană Vigreux .

Un echipament tipic de laborator de distilare constă din următoarele părți:

De obicei, lichidul este încălzit în cazan până fierbe. Compușii mai volatili vor ajunge mai întâi la condensator și lichidul rezultat va fi așa-numitul „cap de distilare”. Când termometrul, al cărui bec este plasat la înălțimea orificiului de admisie a condensatorului, măsoară temperatura de fierbere a compusului dorit, se schimbă balonul sau balonul de colectare în care se colectează toată fracțiunea de condensare la temperatura respectivă. Odată ce temperatura vaporilor depășește punctul de fierbere al compusului care urmează să fie distilat, încălzirea este întreruptă: lichidele cu fierbere mai mare vor rămâne în cazan și vor forma „coada de distilare”.

Distilarea în industrie

Echipamentul folosit

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Coloană cu plăci și Coloană cu umplutură .

Indiferent de tipul de construcție particular, o coloană de distilare pentru uz industrial constă în esență din trei părți:

  • scândura (sau „coloana” propriu-zisă), care are aproape întotdeauna o formă cilindrică; partea cea mai înaltă a scândurii se numește „cap” sau „secțiune de rectificare”, în timp ce partea inferioară se numește „coadă” sau „secțiune de epuizare”;
  • refierbătorul : furnizează căldura în amestecul de fund; poate fi integrat direct în coloană;
  • condensatorul : răcește și condensează (uneori doar parțial) vaporii aerieni. [5]

Există în principal două tipuri de construcții de placare (sau coloane de distilare) pentru uz industrial: [5] [26]

  • coloană plană : în care contactul dintre curentul de lichid și curentul gazos are loc la suprafețe orizontale echidistante (numite „plăci” ale coloanei) prevăzute cu diguri pentru trecerea curentului de lichid [26] și găuri, supape (fixe sau mobilier) ) sau clopote pentru trecerea curentului gazos; [26]
  • coloană cu corpuri de umplere : în care contactul dintre fluxul lichid și fluxul gazos are loc la suprafața blocurilor (numite „corpuri de umplere”) conținute în coloană; aceste corpuri de umplere sunt realizate din material inert față de substanțele tratate (în general material metalic , plastic sau ceramic [27] ); Adesea, în loc să se utilizeze corpuri de umplere simple, se utilizează umpluturi structurate (formate de exemplu din tablă) sau grile sau ochiuri. [27]

Scopul plăcilor și al corpurilor de umplere este de a crește interfața de schimb între faze și, prin urmare, viteza de separare a componentelor amestecului.

Principiul de funcționare

Schema de funcționare a unei coloane de distilare pentru uz industrial (în special coloană cu plăci ).

În interiorul coloanei de distilare există prezența unei faze lichide și a unei faze gazoase; în general aceste faze vin în contact în contracurent (deși uneori funcționează în co-curent ), de fapt faza lichidă traversează coloana de sus în jos, în timp ce faza gazoasă traversează coloana de jos în sus. În partea inferioară a coloanei (denumită „coadă”) o parte a fluxului de lichid este retrasă, în timp ce cealaltă parte este evaporată prin intermediul centralei . În mod similar, în corespondență cu cea mai înaltă parte a coloanei (numită „cap”), se ia o parte din fluxul gazos în timp ce cealaltă parte este condensată prin intermediul condensatorului .

În coloana cu plăci , se creează câte "etape", câte plăci există, plus o etapă suplimentară dacă se folosește o centrală parțială. În fiecare dintre etapele coloanei se stabilește un echilibru lichid-vapori între fluxul de lichid descendent și fluxul de gaz ascendent. Deoarece există atâtea echilibre pe cât sunt etape și deoarece în fiecare etapă componentele „mai grele” tind să intre în faza lichidă, componentele mai ușoare (numite „cu fierbere scăzută”) se acumulează în capul coloanei, în timp ce componentele mai grele (numite „fierbere ridicată”) se acumulează în coada coloanei.

În coloana umplută nu există de fapt etape reale, dar în scop de modelare este posibil să se estimeze așa-numita înălțime echivalentă a plăcii teoretice (HETP) [28] (a cărei valoare este de obicei între 0,3-0,9 m pentru umpluturile aleatorii [ 29] și 0,2-0,7 m pentru umpluturile structurate [29] ), astfel încât să aducă o coloană cu umplutură reală înapoi la o coloană de placă fictivă, având aceeași performanță ca și coloana de umplere reală.

Deoarece diferența de volatilitate constituie forța motrice pentru acest proces, întrucât diferența de volatilitate crește ușurința cu care are loc separarea [1], adică toate celelalte condiții fiind egale, este suficient să se utilizeze o coloană de distilare mai mică și, prin urmare, mai puțin scump.

De asemenea, deși nu sunt strict necesare, există de obicei diferențe de temperatură și presiune între cap și coadă (ambele sunt în scădere), ceea ce poate favoriza separarea. Pe măsură ce crește înălțimea coloanei și gradientul de temperatură care se stabilește de-a lungul înălțimii sale, separarea substanțelor este mai intensă, astfel încât la ieșire vor exista produse mai pure.

Pentru a crește performanța coloanei de distilare, are loc de obicei refluxul (cunoscut și sub denumirea de „reciclare”) a unei părți a vaporilor condensați în partea superioară și a amestecului încălzit în partea de jos.

Cu cât reciclarea este împinsă mai mult, cu atât este mai eficientă separarea; cu toate acestea, există o limită în practică, care ar consta în reciclarea tuturor: în acest caz, scopul distilatului ar fi de fapt zero; în plus, reciclarea adaugă costuri, deoarece, în prezența reciclării, debitele fluidelor care urmează a fi tratate la condensator și reboiler cresc: astfel de echipamente trebuie să aibă o suprafață mai mare a suprafețelor de schimb de căldură.

Modelarea și dimensionarea echipamentului

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: metoda McCabe-Thiele .

În ipoteza în care există doar două substanțe care trebuie separate (sau componente) în coloană, o metodă grafică numită metoda McCabe-Thiele poate fi utilizată pentru a dimensiona o coloană de distilare, [30] prin care este posibil să se determine numărul de plăci necesare pentru efectuarea unui proces specific de distilare și deci înălțimea coloanei. Lățimea secțiunii coloanei este, în schimb, determinată pornind de la considerații dinamice fluide privind funcționarea corectă a coloanei.

Ca alternativă la metoda McCabe-Thiele, pot fi utilizate așa-numitele „ metode de scurtătură ”, care fiind metode analitice au avantajul că pot fi implementate pe un computer. Un exemplu de metodă de comandă rapidă este metoda de comandă rapidă Fenske-Underwood-Gilliland (sau FUG), care își ia numele din cele trei ecuații principale utilizate în această metodă: [31]

În cazul distilării multicomponent (adică atunci când există mai mult de două substanțe care urmează să fie separate în coloana), este necesar să se utilizeze alte metode care necesită utilizarea unui calculator care urmează să fie realizată, de exemplu, Lewis-Matheson metodă sau metoda lui Thiele-Geddes . [32]

Controlul procesului

Un exemplu de sistem de control al coloanei de distilare. În acest caz, există dispozitive pentru controlul următoarelor mărimi: temperatura (TC), debitul (F, FC), nivelul lichidului (LC) și presiunea (PC). Liniile punctate indică transmiterea semnalelor (de la controler la actuator sau între două controlere diferite).

Instalațiile industriale de distilare continuă pot rămâne în funcțiune timp de zeci de ani. În tot acest interval de timp este necesar să se controleze procesul pentru a satisface nevoile pieței în ceea ce privește calitatea și cantitatea produsului. De exemplu, în cazul unui proces de rafinare a țițeiului , prin controlul procesului, este posibil să se mențină un număr octanic destul de ridicat de benzină produsă, indiferent de calitatea țițeiului tratat (care poate varia pe durata de viață a instalației ).

Controlul unei instalații de distilare se efectuează prin măsurarea unor cantități reprezentative ale procesului folosind instrumente adecvate, de exemplu:

  • temperatură și debit al aprovizionare curent ;
  • temperatura și debitul curenților care ies din coloană;
  • nivelul lichidului prezent în partea de jos a coloanei.

Odată ce aceste măsurători au fost obținute, printr-un sistem de control mai mult sau mai puțin complex (de exemplu, un control de feedback ), unii parametri de intrare sunt modificați, în general prin trimiterea unui semnal către actuatori care acționează prin supape care reglează debitele de alimentare, ale produse și curentul de reflux.

Tehnici de distilare

Indiferent dacă distilarea se efectuează în laborator sau la scară industrială, poate avea loc în funcție de diferite metode de operare și folosind scheme de proces mai mult sau mai puțin complexe.

Distilare rapidă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: evaporarea blițului .

Cea mai simplă modalitate de a distila un amestec este distilarea rapidă (numită și „evaporare rapidă” sau „evaporare parțială”).

Această metodologie constă în vaporizarea parțială a amestecului de tratat, într-o singură etapă și fără reflux . [5] [33]

Distilare continuă și discontinuă

Schema unui proces de distilare în serie

Procesul de distilare poate avea loc continuu sau pe loturi : [33] în primul caz amestecul care urmează a fi tratat este alimentat continuu în timpul procesului, în timp ce în al doilea caz amestecul care trebuie tratat este încărcat în echipament înainte de a începe procesul.

În distilarea continuă, compozițiile fluxurilor care părăsesc coloana rămân constante pe tot parcursul procesului, în timp ce în distilarea discontinuă aceste compoziții variază în timp; [34] în special, în etapele inițiale ale distilării în serie, produsul este mai bogat în componentele mai volatile, în timp ce în etapele finale este mai bogat în componentele mai puțin volatile. [5]

În general, distilarea discontinuă (numită și distilare discontinuă sau distilare diferențială [5] ) se efectuează în laborator sau în plante mici,[35] în timp ce pe scară largă este preferabil să se efectueze distilarea continuă. În special, distilarea în serie este mai convenabilă dacă este necesară distilarea unor cantități mici, atunci când debitul și compoziția furajelor sunt destul de variabile sau când este necesar să se utilizeze același echipament pentru a efectua mai multe procese de distilare. [36]

Distilare cu reflux

Diagrama părții superioare a unei coloane de distilare cu reflux.

În cazul în care se obține o puritate mai mare a amestecurilor produse în timpul distilării, fluxul care iese din partea superioară a coloanei este „ refluxat ”, adică o parte din acest flux este reintrodusă în coloana de distilare.

Raportul de reflux R este definit ca raportul dintre debitul molar al lichidului L care curge în partea superioară a coloanei (numită „zonă de îmbogățire”) și debitul molar al lichidului D obținut în partea superioară (numit „distilat”) :[35]

R = L / D

Pe măsură ce raportul de reflux crește, performanța coloanei se îmbunătățește, deci dacă se folosește o coloană cu plăci , numărul de plăci care trebuie utilizate scade. Există două condiții limitative pentru raportul de reflux:

  • o limită maximă a raportului de reflux, care poate fi obținută prin refluxarea întregului flux gazos; această condiție se numește „reflux total” și corespunde condiției pentru care numărul de plăci necesare pentru efectuarea distilării este minim; [37]
  • o limită minimă a raportului de reflux, la care numărul de plăci devine infinit (adică separarea practic nu este posibilă): această limită se numește „raport minim de reflux”, [37] [38] și poate fi determinată grafic prin intermediul McCabe- Metoda Thiele .

În practică, se utilizează un raport de reflux adecvat între valoarea maximă și valoarea minimă. Această valoare este aleasă pornind de la considerații economice și este în general egală cu 120-150% din raportul minim de reflux. [39]

Distilație fracțională

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: distilarea fracționată .
Reprezentarea grafică a unui distilator instantaneu cu mai multe etape.

Distilarea fracționată este o tehnică specială de distilare în care se obțin trei sau mai multe fracții dintr-un amestec care conține trei sau mai multe componente. Prin urmare, pe lângă curenții de ieșire din capul și coada coloanei, există și câțiva curenți de ieșire din partea intermediară a coloanei, numite „spillamenti”. Alternativ, puteți utiliza mai multe coloane aranjate în serie. [5]

Ca și în cazul distilării binare, componentele amestecului de pornire sunt separate în funcție de volatilitatea lor diferită (sau temperatura de fierbere), iar profilul de temperatură din coloană este caracterizat de valori de temperatură mai ridicate în apropierea cazanului (unde fierbe amestecul) și mai jos în apropierea condensatorului, astfel încât curenții care sunt bifați în apropierea celei mai mici părți a coloanei (coada) sunt mai bogate decât componentele mai puțin volatile, în timp ce curenții care sunt bifați în apropierea celei mai înalte părți a coloanei (capului) sunt mai bogate decât cele mai volatile componente.

Coloana de distilare utilizată pentru acest tip de distilare se numește „coloană de fracționare”.

Distilarea azeotropă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: distilarea azeotropă .

Cu distilarea comună nu este posibilă separarea tuturor amestecurilor: în special, unele amestecuri în anumite condiții de presiune pot forma un azeotrop . Un exemplu de azeotrop este amestecul apă- etanol la presiune atmosferică cu 96% etanol; aceasta înseamnă că nu este posibil să se obțină etanol cu ​​o puritate mai mare de 96% prin distilare simplă. În astfel de cazuri, se utilizează alte metode de separare mai complexe, inclusiv: distilarea azeotropă , distilarea extractivă și extracția solventului . [5]

Distilarea sub vid și distilarea cu abur

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Distilarea sub vid și distilarea cu abur .
Echipamente utilizate pentru efectuarea distilării în vid.

Substanțele cu o temperatură de fierbere excesiv de ridicată la presiunea atmosferică, sau care s-ar descompune la temperatura respectivă, pot fi supuse distilării în vid , utilizând o temperatură semnificativ mai scăzută. [5] În mod similar, substanțele instabile pentru încălzirea directă sau care le-ar putea modifica caracteristicile specifice sunt supuse convenabil distilării cu abur : [40] încălzirea se efectuează indirect, exploatând entalpia vaporilor de apă; în acest fel se obțin amestecuri care conțin două faze diferite, în mod normal una organică și cealaltă apoasă, ușor de separat. Aceste două variante de distilare clasică își găsesc o largă utilizare în chimia organică și biochimică , de exemplu în distilarea uleiurilor esențiale . [40]

Distilarea moleculară

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: distilarea moleculară .

Distilarea extractivă

Distilarea extractivă este o tehnică utilizată doar în câteva cazuri evaluate. În cazul în care componentele amestecului care urmează a fi distilat au puncte de fierbere similare, ar fi necesar să se efectueze o distilare continuă folosind o coloană cu un număr mare de plăci. Acest lucru, pe lângă faptul că este mai scump, implică o serie întreagă de probleme statice și, prin urmare, este dificil de implementat. Prin urmare, dacă amestecul este binar și volatilitatea acestuia este scăzută, este posibil să se introducă un al treilea component în amestec. Acest lucru, prin formarea unui aduct cu una dintre cele două componente originale, va permite separarea cu mai puține plăci.

Un exemplu de distilare extractivă este separarea amestecului între 2,2,4-trimetil-pentan (sau izooctan ) și toluen . Fenolul este introdus în amestecul care intră în coloană, care formează un aduct mai puțin volatil cu toluenul, facilitând separarea acestuia de izooctan. Acesta din urmă este colectat în partea de sus a coloanei, ca și cum fenolul ar fi extras toluenul din amestec, de unde și denumirea procesului.

Amestecul de fenol-toluen care iese din coada coloanei poate fi ulterior distilat continuu.

Distilarea reactivă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: distilarea catalitică .
Exemplu de proces de distilare reactivă. Fluxurile de alimentare conțin reactanții , în timp ce produsele reacției sunt luate din capul și coada coloanei.

Vorbim de distilare reactivă atunci când două procese apar simultan în cadrul aceluiași echipament : un proces reactiv (adică efectuarea unei reacții chimice ) și un proces de distilare. În acest caz, prin urmare, echipamentul acționează atât ca reactor chimic, cât și ca coloană de distilare. [41]

Câteva exemple de aplicații de distilare reactivă sunt distilarea metil- t- butil eter (MTBE) și acetat de metil . [41]

În cazul particular în care procesul reactiv are loc prin cataliză eterogenă vorbim mai precis despre distilarea catalitică .

Tratamentul termodinamic al distilării

Să presupunem că distilăm o soluție formată din elementele A și B. Soluția ideală va respecta legea lui Raoult :

p = Χ Ca p A * + Χ Bs p B * = Χ Av p + Χ Bv p = p A + p B

Stabilim că A este cea mai volatilă componentă. Prin urmare, vaporii vor consta aproape exclusiv din A. Prin urmare, putem exprima ecuația Raoult ca o funcție a lui Χ As (adică ca o funcție a fracției molare a lui A în soluție), sau ca o funcție a lui Χ Av (adică ca o funcție a fracției molare de A în faza de vapori). Dar mai întâi rețineți că:

Χ As = Χ Av p / p A * și că Χ Av = Χ As p A * / p

A questo punto, tenendo presente che in una soluzione o comunque in un sistema qualunque formato da componenti i-esimi Σ ι Χ ι = 1, potremo scrivere che p(Χ As ) sarà

p = Χ As p A * + ( 1- Χ As ) p B *

e che p(Χ Av ) sarà data da

p = Χ As p A * / Χ Av .

Esempi di applicazioni

Raffinazione del petrolio

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Raffineria di petrolio .
Schema semplificato del processo di distillazione frazionata del greggio .

La distillazione rappresenta la prima fase della raffinazione del petrolio greggio . Il petrolio inizia a vaporizzare a una temperatura leggermente inferiore ai 100 °C : prima si separano gli idrocarburi a più basso peso molecolare , mentre per distillare quelli aventi molecole a peso molecolare più elevato sono necessarie temperature superiori. Il primo materiale che si estrae dal petrolio greggio sono i gas incondensabili, come l' idrogeno , il metano e l' etano ; successivamente si estrae la parte dei gas di petrolio liquefatti ( GPL ), poi la frazione destinata a diventare benzina , seguita dal cherosene e dal gasolio . Nelle vecchie raffinerie, il rimanente veniva trattato con soda caustica o potassa caustica e con acido solforico , e quindi distillato in corrente di vapore , ottenendo oli combustibili e oli lubrificanti dalla parte superiore della colonna di distillazione, e paraffina solida e asfalto da quella inferiore.

La distillazione del petrolio è un esempio di distillazione frazionata , cioè una distillazione in cui bisogna separare più di due sostanze. Infatti il petrolio è una miscela in cui sono presenti tantissime sostanze (per lo più idrocarburi ) e attraverso il processo di distillazione frazionata si ottengono diverse miscele (dette "tagli"); ciascun taglio viene prelevato da una specifica altezza della colonna e presenta caratteristiche chimico-fisiche differenti dagli altri tagli. In questa maniera a partire dalla stessa miscela di petrolio è possibile ottenere tantissime miscele, ognuna corrispondente ad uno specifico utilizzo o settore commerciale.

Distillazione di bevande alcoliche

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Distillato .
Impianto batch per la produzione di scotch whisky presso Glenmorangie (Scozia).

Un'altra applicazione industriale è rappresentata dalla produzione delle acquaviti (o distillati) a partire da un'ampia varietà di materie prime , tra cui: vini , cereali ( mais , frumento , orzo ) e frutta . In questo caso si utilizzano soprattutto processi discontinui (batch).

Rischi associati alla distillazione

I principali rischi associati alla distillazione hanno origine dal tipo di miscele trattate e prodotte durante il processo e dalle condizioni operative ( temperatura e pressione di esercizio).

Per quanto riguarda le miscele coinvolte nel processo, la pericolosità deriva dalla loro eventuale infiammabilità o tossicità ; il rischio di infiammabilità delle miscele è maggiore quando sono sottoposte a distillazione, in quanto all'interno della colonna di distillazione si creano miscele aventi valori di concentrazione differenti dalla miscela di partenza; ciascuna miscela presenta un campo di esplosività caratterizzato da certi valori di concentrazione, detti " limiti di esplosione ", per cui una miscela che in condizioni normali non esploderebbe (perché le concentrazioni dei suoi componenti non rientrano nei limiti di esplosività) può invece esplodere durante le operazioni di distillazione o purificazione, a causa della modifica di concentrazione della miscela causata dalla separazione dei componenti. [42]

È importante che la colonna di distillazione sia ben progettata, ispezionata e equipaggiata con opportuni dispositivi di sicurezza per minimizzare il rischio di esplosioni e rilascio di sostanze nell'ambiente circostante. In particolare i materiali con i quali è costruita la colonna devono avere buone proprietà anticorrosive nei confronti delle sostanze trattate ed è necessario un continuo monitoraggio delle variabili di processo, in modo da identificare eventuali scostamenti dalle condizioni di progetto (ad esempio sovrapressioni o surriscaldamenti anomali). [43]

Eventi disastrosi

Di seguito è riportata una lista di alcuni incidenti riguardanti colonne di distillazione che hanno portato a conseguenze più o meno disastrose:

  • 2 marzo 1951, Giappone : esplosione di una colonna di distillazione contenente nitrobenzene ; 2 morti e 3 feriti; [44]
  • 7 novembre 1990, Giappone: esplosione di una colonna di distillazione sottovuoto contenente epicloridrina (ECH) e dimetilsolfossido (DMSO); [45]
  • 26 giugno 1991, Giappone: esplosione di una colonna di distillazione per metanolo durante le operazioni di spegnimento dell'impianto; 2 morti e 13 feriti; [46]
  • 19 febbraio 2000, Italia : esplosione di una colonna per la distillazione di acido nitrico ; [47]
  • 23 luglio 2001, California : esplosione di un'apparecchiatura di laboratorio per la distillazione di benzene; [48]
  • 21 settembre 2003, Ohio : rilascio di monossido di azoto ed esplosione di una colonna di distillazione in un impianto di proprietà della Sigma-Aldrich ; [49]
  • 23 marzo 2005, Texas : rilascio di gas e liquidi infiammabili da una colonna di distillazione di una raffineria di petrolio; [50]
  • 7 agosto 2005, Francia : rilascio di una miscela idrocarburica da una colonna di distillazione di una raffineria di petrolio; [51]
  • 14 luglio 2011, Inghilterra : esplosione durante operazioni illegali di distillazione di vodka; 5 morti; [52] [53]
  • 23 maggio 2012, Wisconsin : esplosione di un'apparecchiatura da laboratorio durante la distillazione di una fosfina primaria. [54]

Distillazione in laboratorio (con esempi)

Distillazione

Per effettuare un distillazione bisogna tenere a mente 3 concetti:

  • Se la differenza di temperatura di ebollizione tra le due sostanze è minore di 25 °C la distillazione è parziale
  • Se la temperatura di ebollizione di una sostanza è minore di 40 °C durante la distillazione ci saranno perdite elevate di tale sostanza
  • Se la temperatura di ebollizione di una sostanza è maggiore di 150 °C durante la distillazione si avrà una degradazione della sostanza presa in considerazione

Distillazione semplice

Montaggio:

  1. Prendiamo un rialzo e vi appoggiamo sopra il mantello riscaldante
  2. Mettiamo nel mantello un pallone contenente una soluzione
  3. Fermiamo il pallone all'asta di sostegno con una pinza
  4. Spalmiamo pochissimo silicone nella parte inferiore del giunto di raccordo a T (ovvero la parte che va inserita nel pallone) e infiliamo questa parte nel pallone
  5. Spalmiamo pochissimo silicone nella parte inferiore del termometro (ovvero la parte che va inserita nel giunto di raccordo a T) e infiliamo questa parte nel giunto di raccordo a T
  6. Spalmiamo pochissimo silicone nella parte sporgente del giunto di raccordo a T e infiliamo questa parte nel buco del refrigerante di Liebig
  7. Fermiamo il refrigerante di Liebig all'asta di sostegno con una pinza
  8. Fissiamo una estremità del tubo di gomma al rubinetto e l'altra alla sporgenza che si trova a destra e fissiamo un tubo all'altra sporgenza e la sua estremità la mettiamo nello scarico del lavandino

Distillazione frazionata

Montaggio:

  1. Prendiamo un rialzo e vi appoggiamo sopra il mantello riscaldante
  2. Mettiamo nel mantello un pallone contenente una soluzione
  3. Fermiamo il pallone all'asta di sostegno con una pinza
  4. Spalmiamo pochissimo silicone nella parte inferiore della colonna di Vigreux (ovvero la parte che va inserita nel pallone) e infiliamo questa parte nel pallone
  5. Spalmiamo pochissimo silicone nella parte inferiore del giunto di raccordo a T (ovvero la parte che va inserita nella colonna di Vigreux) e infiliamo questa parte nella colonna
  6. Spalmiamo pochissimo silicone nella parte inferiore del termometro e infiliamo questa parte nel buco superiore del giunto di raccordo a T
  7. Spalmiamo pochissimo silicone nella parte sporgente del giunto di raccordo a T e infiliamo questa parte nel buco del refrigerante di Liebig
  8. Fermiamo il refrigerante di Liebig all'asta di sostegno con una pinza
  9. Fissiamo una estremità del tubo di gomma al rubinetto e l'altra alla sporgenza che si trova a destra e fissiamo un tubo all'altra sporgenza e la sua estremità la mettiamo nello scarico del lavandino
  10. Avvolgiamo il pallone con dell'alluminio lasciando una finestrella
  11. Avvolgiamo la colonna di Vigreux con della stoffa e anche qui lasciamo una finestrella

Inoltre per effettuare la distillazione frazionata si deve procedere con un riscaldamento lento del composto, ma anche con un isolamento della colonna di Vigreux e del pallone.

Distillazione del limonene

  • Rimuovere la parte superficiale della buccia del limone (essa verrà utilizza per la distillazione)
  • Mettere le bucce nel pallone
  • Aggiungere nel pallone pieno di bucce 100 ml di acqua distillata
  • Scaldare e attendere fino alla distillazione di 60 ml
  • Lasciare raffreddare il distillato
  • Rimuovere la parte superficiale (limonene)
  • Effettuare i test con il bromo e il permanganato di potassio

Distillazione Eugenolo

  1. Pesare 5 grammi di chiodi di garofano
  2. Pestare i chiodi di garofano con il mortaio
  3. Metterli in un pallone da 100 ml con 50 ml di acqua distillata
  4. Raccogliere i primi 35 ml di distillato
  5. Mettere i 35 ml in un imbuto separatore
  6. Aggiungere 5 ml di CH 2 Cl 2
  7. Scuotere l'imbuto (tappato) facendo uscire i vapori (che si formano all'interno dell'imbuto) ogni tanto
  8. Ripetere il passaggio precedente 3 volte ogni volta che questo viene ripetuto bisogna versare la parte organica in una beuta
  9. Aggiungere nella beuta 2/3 punte di spatola di Na 2 SO 4
  10. Filtrare
  11. Scaldare il filtrato e lasciare riposare
  12. Pesare l'eugenolo ottenuto
  13. Calcolare la resa ed effettuare i test del bromo e del permanganato di potassio

Distillazione cicloesanolo

  1. Pesare 30 grammi di cicloesanolo in un pallone da 100 ml
  2. Aggiungere 8 ml di acido fosforico
  3. Montare l'apparato di distillazione (avvolgere con il paraffilm la parte che congiunge il collo d'oca con la beuta)
  4. Mettere la beuta in una vaschetta con acqua,sale e ghiaccio
  5. Avviare l'impianto di distillazione e distillare fino ad ottenere 5 ml di soluzione nel pallone
  6. Versare il distillato in un imbuto separatore
  7. Aggiungere 10 ml di acqua distillata nell'imbuto
  8. Scuotere l'imbuto per tre volte sfiatando ogni tanto i vapori che si formano
  9. Scaricare la parte inferiore che si trova nell'imbuto
  10. Aggiungere 10 ml di Na 2 CO 3 10% nell'imbuto
  11. Scuotere l'imbuto per tre volte sfiatando ogni tanto i vapori che si formano
  12. Scaricare la parte inferiore che si trova nell'imbuto
  13. Aggiungere 10 ml di acqua nell'imbuto
  14. Scuotere l'imbuto per tre volte sfiatando ogni tanto i vapori che si formano
  15. Scaricare la parte inferiore che si trova nell'imbuto
  16. Svuotare ciò che è rimasto nell'imbuto in un becher
  17. Aggiunge una spatola di solfato di sodio anidro
  18. Filtrare ciò che si ottiene è ciclo esano

Note

  1. ^ a b Sinnott , p. 494 .
  2. ^ con il termine "rettifica" si indica talvolta l'intera operazione di distillazione, ma a rigore questa è una parte dell'intero processo; più esattamente la rettifica corrisponde all'arricchimento della miscela nel componente più volatile, che avviene dal piatto di alimentazione alla testa della colonna. Questo tratto della colonna viene appunto detto "sezione di rettifica".
  3. ^ a b c Krell , p. 21 .
  4. ^ a b Enciclopedia Treccani, "Dissalazione"
  5. ^ a b c d e f g h i Enciclopedia Treccani, "distillazione"
  6. ^ Fare vino e distillati , p. 145.
  7. ^ Fare vino e distillati , p. 147.
  8. ^ Allchin 1979 [ in quale libro? ]
  9. ^ Russell , p. 69.
  10. ^ Underwood , p. 251.
  11. ^ Simmonds , p. 6.
  12. ^ Solomon , p. 41.
  13. ^ Briffault , p. 195.
  14. ^ Hassan .
  15. ^ Ajram , Appendice B.
  16. ^ Wolf .
  17. ^ Magnum Opus Hermetic Sourceworks Series
  18. ^ John French - The Art of Distillation , su levity.com . URL consultato il 27-12-2008 .
  19. ^ a b c d Krell , p. 29 .
  20. ^ Furter .
  21. ^ A. Coffey British Patent 5974, 5 agosto 1830
  22. ^ a b c Krell , p. 30 .
  23. ^ US Patent 198,699 Improvement in the Ammonia-Soda Manufacture
  24. ^ Petlyuk , p. 23 .
  25. ^ Fenske .
  26. ^ a b c Lee , p. 749 .
  27. ^ a b Lee , p. 733 .
  28. ^ Lee , p. 738 .
  29. ^ a b R. Smith , p. 172 .
  30. ^ Sinnott , pp. 505-507 .
  31. ^ R. Smith , p. 170 .
  32. ^ Sinnott , p. 543 .
  33. ^ a b McCabe , p. 641 .
  34. ^ McCabe , p. 703 .
  35. ^ a b McCabe , p. 700 .
  36. ^ Sinnott , p. 546 .
  37. ^ a b Sinnott , p. 495 .
  38. ^ McCabe , p. 667 .
  39. ^ Sinnott , p. 496 .
  40. ^ a b Sinnott , pp. 546-547 .
  41. ^ a b Sinnott , p. 547 .
  42. ^ ( EN ) Guidelines for Explosive and Potentially Explosive Chemicals
  43. ^ ( EN )Distillation columns , Health and Safety Executive
  44. ^ ( EN ) Failure Knowledge Database - CC1000093
  45. ^ ( EN ) Failure Knowledge Database - CC1200006
  46. ^ ( EN ) Explosion of Methanol Distillation column of detergent manufacturing plant
  47. ^ ( EN ) Fire and explosion in a chemical plant [ collegamento interrotto ]
  48. ^ ( EN ) University of California, Irvine Independent Accident Investigation
  49. ^ ( EN ) CSB Issues Case Study on September 2003 Explosion at Isotec Facility in Miami Township, OH
  50. ^ ( EN ) Refinery Ablaze – 15 dead
  51. ^ ( EN ) Release of liquid and gaseous hydrocarbons by the valves of the atmospheric distillation tower of a refinery [ collegamento interrotto ]
  52. ^ ( EN ) Explosion at 'vodka-distilling factory' kills five
  53. ^ ( EN ) Alcohol-making gear found at Boston blast site
  54. ^ ( EN ) Explosion during phosphine prep

Bibliografia

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 23222 · LCCN ( EN ) sh85038517 · GND ( DE ) 4011543-4 · BNF ( FR ) cb119348119 (data) · NDL ( EN , JA ) 00575036