La distillazione

LA DISTILLAZIONE

La distillazione è senza dubbio una delle tecniche di separazione più usata nell'industria chimica e alimentare. La raffinazione del petrolio, la produzione di ossigeno dall'aria liquida, ma anche la produzione di liquori da estratti fermentabili o di oli essenziali da piante aromatiche, sono tutti processi che sfruttano la tecnica della distillazione. Nei laboratori di ricerca la distillazione è una tecnica di purificazione di uso quotidiano.

Possiamo definire la distillazione come una tecnica di separazione di particolari miscele utilizzate nell'industria chimica basata sulla diversa distribuzione dei componenti di una miscela in una fase liquida ed una fase vapore in equilibrio tra loro. Affinché si possa effettuare una distillazione, è necessario che i singoli componenti della miscela presentino temperature di ebollizione sufficientemente diverse. Data la differente volatilità dei vari componenti, le composizioni della fase vapore e della fase liquida sono diverse, ed in particolare la fase vapore è più ricca nel componente più volatile, ovvero quello che presenta temperature di ebollizione minore e tensione di vapore maggiore. Bisogna ricordare che la tensione di vapore di una miscela è la pressione parziale del suo vapore quando si raggiunge l'equilibrio tra la fase liquida e la fase vapore.

Quindi, da una miscela originaria, l'alimentazione, si otterrà una corrente ricca nel componente più volatile, il distillato, ed una ricca nel componente meno volatile, il residuo, detto anche prodotto di coda. La separazione per distillazione può essere realizzata con tecniche differenti. Tra le più frequenti ricordiamo la distillazione continua di rettifica.

Questo tipo di distillazione è un'operazione continua a stadi che viene realizzata in colonna di distillazione, che è quasi sempre una colonna a piatti, in cui ogni piatto può essere considerato uno stadio di equilibrio e in cui la miscela da separare viene introdotta ad un'altezza intermedia, mentre il vapore in uscita dalla testa della colonna e, dopo esser condensato una parte viene parzialmente reintrodotto in colonna, allo stato liquido, costituendo il riflusso; mentre un'altra parte viene estratta, costituendo il distillato. Al fondo della colonna troviamo un ribollitore Kettle che ha il compito di vaporizzare parzialmente la corrente liquida in uscita dalla colonna, mandando il vapore prodotto in colonna, e allontanando, ad altre lavorazioni, il residuo o fondo colonna.

In questo modo si realizza un processo a stadi multipli in cui una fase liquida scende dalla testa della colonna ed incontra in controcorrente una fase vapore che sale dal basso. La colonna viene suddivisa in due sezioni: la sezione di arricchimento (detta di rettifica), posta al di sopra dell'alimentazione, e la sezione di esaurimento (detta anche di strippaggio), posta al di sotto dell'alimentazione, la quale viene introdotta all'incirca a metà colonna.

D, x_D

F, x_F

W, x_W

La colonna di distillazione è costituita da una serie di stadi costituiti in modo tale da consentire una perfetta miscelazione della fase liquida e della fase vapore. Ecco quello che si verifica ad ogni stadio: quando il vapore che proviene dal basso a composizione y_n+1 viene a contatto con il liquido proveniente dall'alto a composizione x_n-1, si realizza un trasferimento di calore e di materia. Ricordando che quando abbiamo miscele, la temperatura non si mantiene mai costante durante il passaggio di stato, il  vapore più caldo si raffredda condensando in parte; il calore ceduto dal vapore al liquido verrà utilizzato da questo per riscaldarsi e vaporizzare in parte. Fino a quando, alla fine le 2 temperature saranno uguali, e le composizioni sono quelle di equilibrio. Quindi il vapore da y_n+1 passa a y_n, arricchendosi nel componente più volatile, mentre il liquido da x_n-1 passa a x_n "impoverendosi" nel componente più volatile.

Il dimensionamento di una colonna di rettifica consiste nella risoluzione dei bilanci di materia, per determinare le portate di distillato e residuo, nella determinazione del numero dei stadi necessari per effettuare la distillazione, nella determinazione dell'altezza o diametro della colonna.

Per determinare le portate di distillato o del prodotto di fondo basta ricorrere a due semplici bilanci di materia:

quello globale: F = D + W

quello riferito al componente più volatile:      F·x_F = D·x_D + W·x_W

Per determinare il numero dei stadi (piatti) necessari affinché possa essere fatta una distillazione di rettifica continua, si ricorre alla costruzione grafica secondo il metodo di McCabe e Thiele. Questo grafico prevede, innanzitutto la tracciatura del grafico liqudo-vapore x-y, basato sulla legge di Raoult espressa dalla formula:   y_i∙P = x_i ·P_i^°

Una volta tracciata la curva di equilibrio e la bisettrice del diagramma x-y, bisogna tracciare le rette di lavoro. Le rette di lavoro sono le rappresentazioni grafiche, sul diagramma x − y, dei bilanci di materia relativi alla testa (sezione di arricchimento o di rettifica) e al fondo della colonna (sezione di esaurimento o di stripping) ed una generica quota della relativa sezione (o tronco).

Le equazioni ricavate sono:

Equazione retta di lavoro superiore

Equazione retta di lavoro inferiore

Equazione della retta q

Ed è proprio ora che definiamo q o fattore entalpico come la frazione di alimentazione che si aggiunge alla portata liquida L per costituire la portata liquida L'. La linea q corrisponde allo stato fisico dell'alimentazione. Essa viene tracciata riportando sulla bisettrice il punto relativo alla frazione molare dell'alimentazione, quindi si traccia una retta con una pendenza che è correlata allo stato dell'alimentazione, e più precisamente:

se la corrente di alimentazione è liquida, la linea q è perfettamente verticale (parallela all'asse y).

se la corrente di alimentazione è gassosa, la linea q è perfettamente orizzontale (parallela all'asse x).

se la corrente di alimentazione è una miscela bifase gas-liquido, la linea q ha pendenza di valore compreso tra 0 e 1, e q avrà il valore decimale della composizione liquida.

se la corrente di alimentazione è un vapore surriscaldato, la linea q è a pendenza negativa.

se la corrente di alimentazione è un liquido sottoraffreddato, la linea q ha pendenza di valore >1.

Una nota può essere che la retta di lavoro inferiore si ricava per via grafica, sapendo che passa per il punto di intersezione della linea q con la retta di lavoro superiore, e per il punto sulla bisettrice di ascissa x_W.

Una volta tracciate le due rette di lavoro si può procedere al calcolo del numero degli stadi. Partendo dalle condizioni in testa (cioè dal punto più alto della retta di lavoro per la zona di arricchimento), si traccia una orizzontale fino a intersecare la curva di equilibrio, e dal nuovo punto si traccia una verticale fino alla retta di lavoro. Il punto trovato corrisponde alla condizione nel penultimo piatto della colonna. Continuiamo da questo punto in maniera analoga, fino a spingerci un poco oltre il punto corrispondente alle condizioni in coda (cioè il punto più basso della retta di lavoro per la zona di esaurimento). Ogni scalino sul diagramma corrisponde ad un piatto teorico, quindi contando gli scalini che abbiamo tracciato abbiamo ricavato il numero di piatti della colonna di distillazione