Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

Generalità:

La distillazione è un'operazione di tipo fisico, molto usata nell'industria chimica, che ha per scopo la separazione delle sostanze contenute in una miscela liquida profittando della loro diversa temperatura di ebollizione.

Da un punto di vista teorico, l'energia necessaria, da fornire, per separare due sostanze è data dal solo calore di soluzione, in effetti l'energia necessaria per effettuare una distillazione è molto alta, anche migliaia di volte maggiore del calore di mescolamento, e questo, induce a sperare che forse, in futuro, potrebbero essere introdotti dei miglioramenti per aumentarne l'efficienza, visto che la termodinamica lo consente.

Affinché due sostanze possano venire separate con la distillazione è necessario non solo che la loro temperatura di ebollizione sia il più possibile diversa, ma anche che la tensione di vapore sia assai diversa altrimenti la separazione con una sola distillazione non è netta. La eventuale presenza di un azeotropo, come accade nella miscela acqua etanolo rende, del tutto impossibile la separazione completa dei due componenti e si deve operare attraverso qualche altro metodo.

L'etanolo quasi del tutto anidro, necessario per essere impiegato come carburante in sostituzione della benzina, può essere ottenuto distillando prima la soluzione alcolica per ottenere una soluzione concentrata al 96% corrispondente alla composizione azeotropica, e poi togliendo l'acqua residua con la seguente reazione chimica

CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q

L'idrossido di calcio, come pure l'eccesso di ossido di calcio eventualmente impiegato, essendo entrambi insolubili nell'alcool, possono essere rimossi con semplice filtrazione o centrifugazione.

In alternativa alla disidratazione chimica può essere utilizzata la distillazione azeotropa che opera con l'ausilio di un solvente, e che vedremo in dettaglio nel prosieguo del corso.

La distillazione può essere distinta in continua e discontinua. Nella distillazione continua si immette continuamente la miscela e si estraggono, pure in modo continuo le sostanze separate. Nella distillazione discontinua, usata generalmente per piccole portate, si carica l'apparecchio e poi si scalda e si raccolgono e si condenzano i vapori a cominciare dal componente più leggero. La distillazione discontinua viene usata, spesso, dai contadini per distillare, con l'alambicco, la grappa dalle vinacce.

Per migliorare la separazione delle sostanze, si usa la colonna di distillazione a più stadi, o piatti come vengono usualmente chiamati dagli addetti ai lavori. In ogni piatto si ha una parziale evaporazione e condensazione della miscela la quale, salendo, si arricchisce progressivamente del componente più leggero, mentre scendendo verso il basso si arricchisce progressivamente del componente più pesante.

Un piatto può essere costruito in vari modi, ma il tipo più diffuso è quello a campanelle, che consente una notevole versatilità di utilizzo. Il vapore risale dal basso della colonna ed attraverso le campanelle gorgoglia e in parte condensa nel liquido. Quest'ultimo invece scende e siccome la temperatura della colonna tende ad aumentare perché è massima nel fondo della colonna, parte della miscela liquida evapora ad ogni piatto che incontra.

La distillazione consente di effettuare la separazione tra due sostanze, solo se la loro volatilità è diversa, ed in particolare la separazione risulterà tanto più netta quanto più diverso dall'unità è il valore della volatilità relativa.

La colonna di distillazione, nella rettifica continua è costituita da numerosi piatti, in ciascuno dei quali parte del liquido che proviene dal piatto superiore, evapora, e parte del vapore che proviene dal piatto inferiore condensa, e si divide in due sezioni che vengono chiamate sezione di rettifica e sezione di strippaggio.

La sezione di rettifica è la parte alta della colonna e comprende tutti i piatti al di sopra del piatto d'alimentazione, cioè del piatto dove viene inserita la soluzione da separare, la sezione di strippaggio è la parte bassa della colonna e comprende tutti i piatti al di sotto del piatto d'alimentazione. Il componente più volatile tende a concentrarsi nella parte alta della colonna, mentre il componente meno volatile tende a concentrarsi nella parte bassa.

Siccome in ogni piatto si deve realizzare un equilibrio tra la fase liquida e la fase gassosa, affinché ciò sia possibile la temperatura deve essere necessariamente quella d'ebollizione della soluzione è quindi è minima nella testa della colonna dove predomina il componente più leggero ed è massima nel fondo della colonna dove predomina il componente più pesante.

Il vapore uscente dall'ultimo stadio, ricco del componente più volatile, viene condensato in un condensatore a superficie ed in parte viene rimandato nella colonna come riflusso e la parte restante, e che costituisce il prodotto di testa viene prelevato ed inviato alle lavorazioni successive oppure, raffreddato ed inviato al serbatoio di stoccaggio.

Il fatto di effettuare il riflusso, perdendo, di fatto, una parte del distillato tanto faticosamente ottenuto, è forse la cosa, in assoluto, più difficile da comprendere da parte di uno studente che si accinge allo studio della distillazione. Tuttavia, se non per altro, una quantità anche minima di riflusso è assolutamente necessaria per avere una fase liquida nei piatti della sezione di rettifica e consentire loro di funzionare in modo corretto.

L'adozione del riflusso nella rettifica continua, nell'immediato costituisce indubbiamente una perdita di prodotto e sembra, a prima vista, vero e proprio autolesionismo farlo, tuttavia non lo è se si pensa che il prodotto che abbiamo ottenuto, non lo avremmo potuto ottenere, con quelle specifiche, se non ci fosse stato il riflusso. In un certo qual modo il riflusso è come il seme per gli agricoltori, una certa quantità di prodotto, ad esempio patate, deve essere, per così dire, riflussato nel terreno, per continuare a produrle.

Nella sezione di strippaggio si concentra il componente più pesante ed anche in questa sezione, parte del prodotto ottenuto viene riciclato pervia sua vaporizzazione in una caldaia chiamata ribollitore.

La composizione della miscela varia gradualmente lungo la colonna e, affinché l'efficienza della colonna sia massima, l'alimentazione deve essere introdotta in corrispondenza in cui la composizione della miscela è uguale, o più simile a quella dell'alimentazione. E' possibile anche effettuare prelievi di miscele anche in piatti intermedi della colonna nel caso si abbia interesse a farlo.

L'alimentazione viene introdotta, solitamente, alla sua temperatura d'ebollizione, eventualmente anche parzialmente vaporizzata per non aumentare troppo la portata della fase liquida e squilibrare troppo il rapporto tra fase liquida e fase vapore. Una portata troppo grande di liquido potrebbe, infatti, provocare una ricaduta di liquido dalle fessure delle campanelle con conseguente riduzione dell'efficienza complessiva della colonna. D'altro canto una portata troppo grande di vapore potrebbe produrre il sollevamento della fase liquida ed il passaggio diretto, di parte del vapore, al piatto superiore, anche in questo caso, con conseguente riduzione dell'efficienza della colonna.

La distillazione discontinua è un particolare tipo di distillazione e si distingue dalla distillazione continua, chiamata anche rettifica continua, per il fatto che priva sia d'alimentazione sia di prelievo di residuo. Dunque la distillazione discontinua opera con un rapporto di riflusso del residuo uguale ad infinito, mentre il rapporto di riflusso del distillato, è un valore maggiore del rapporto di riflusso di pinch, e minore del riflusso totale, che comporterebbe un rapporto di riflusso uguale ad infinito.

In buona sostanza, l'alimentazione viene messa tutta all'inizio e poi si fa bollire riscaldando con una serpentina percorsa da vapore o da un olio caldo, oppure utilizzando un ribollitore, ed il vapore prodotto risale la colonna scambiando calore e materia con la fase liquida che discende e giunto alla testa della colonna viene condensato ed in parte riflussato ed in parte prelevato come prodotto per essere inviato al serbatoio di stoccaggio.

La caratteristica peculiare della distillazione discontinua è che la composizione del distillato cambia con il tempo. Per mantenere costante la composizione del distillato è necessario aumentare progressivamente il riflusso e quindi questo tipo di distillatore necessita di un controllo automatico che regola ed adegua il riflusso allo scopo di mantenere costante la composizione del distillato.

In alternativa alla variazione del rapporto di riflusso, si possono raccogliere varie frazioni del distillato e poi miscelarle opportunamente per ottenere la concentrazione desiderata.

in analogia con la rettifica continua, e sempre ché ne ricorrano le condizioni, con il metodo grafico di McCabe e Thiele, con la notevole variazione data dal fatto, che in questo caso, manca l'alimentazione, e c'è solo la retta di lavoro della sezione d'arricchimento.

La distillazione discontinua viene usata solo per distillare piccole quantità di soluzioni, come ad esempio la distillazione delle vinacce per ottenere la grappa.