dISTILAREA SI RECTIFICAREA

Studenti : Pirarvulescu Ramona-Elena

Damian Roxana-Ramona

Grupa : 521/2

Introducere

Separarea fizica a amestecurilor omogene gazoase, lichide sau solide, in urma carora are loc introducerea sau indepartarea unor substante din amestecul considerat, se numeste operatie de transfer de masa, iar procesele care au loc in timpul acestei operatii se numesc procese de transfer de masa sau procese de difuziune. Procesele de transfer de masa constau in trecerea substantei dintr-o faza inalta faza aflata in contact. Schimbul de substanta intre fazele de contact, presupune deplasarea relativa a componentilor in fiecare faza, deplasare numita difuziune. Viteza acestor procese este determinata de viteza de trecere a substantei dintr-o faza in alta.Pentru a determina aceasta viteza cat si directia procesului de transfer de masa trebuie sa se cunoasca compozitia fazelor.

Pentru determinarea acestor procese, pe langa alte operatii de transfer,se utilizeaza distilarea si rectificarea.

Alaturi de alte operatii unitare de baza utilizate in industria chimica (adsorbtia,extractia,fluidizarea,cristalizarea,absorbtia,sublimarea,uscarea) una din metodele de separare a amestecurilor este distilarea si rectificarea.

Distilarea si rectificarea-notiuni generale

Distilarea este operatia unitara de separarea a unui component sau mai multor componenti dintr-un amestec omogen lichid.

Separarea prin distilare, sau prin rectificare se bazeaza pe diferenta intre temperaturile de fierbere si intre presiunile de vapori ale componentilor care formeaza amestecul. In timpul fierberii, vaporii degajati din amestecul de lichide sunt mai bogati in componenti usor volatili, lichidul ramas imbogatindu-se in componenti greu volatili. Vaporii degajati si condensati formeaza fractiunea numita DISTILAT iar lichidul ramas nevaporizat, constituierezidul de baza.

O succesiune de vaporizari si condensari poarta denumirea de RECTIFICARE.

Separarea prin distilare are la baza diferenta de volatilitate dintre componentele amestecului de separat.

De exemplu, daca supunem fierberii o substanta pura,pana la atingerea temperaturii de fierbere aceasta foloseste caldura dezvoltata de sursa pentru a-si creste temperatura,iar la atingerea tf temperatura ramane constanta ,lichidul folosind caldura dezvoltata de sursa pentru a trece din stare lichida in stare de vapori (caldura latenta de vaporizare ).

In cazul amestecurilor de lichide, temperatura de fierbere depinde atat de presiunea sub care are loc fierberea, cat si de compozitia amestecului. La o presiune constanta, temperatura de fierbere a amestecului creste o data cu evaporarea componentilor usor volatili, ca rezultat al imbogatirii fazei lichide in componenti greu volatili.

Pentru amestecurile binare (formate din doi componenti) separarea prin distilare presupune incalzirea amestecului pana la atingerea temperaturii de fierbere a componentului usor volatil din amestec(componentul cu tf mai mic),moment in care incepe vaporizarea acestuia, urmata de condensarea vaporilor si culegerea lor. Pana cand intreaga cantitate de component usor volatil a distilat, temperatura ramane constanta , la valoarea tf a componentului usor volatil.

Apoi temperatura creste fara a se mai colecta condens (din nou lichidul foloseste caldura dezvoltata de sursa pentru a-si creste tempratura),pana la atingerea temperaturii de fierbere a componentului greu volatil din amestec . Din acel moment incepe colectarea de condens format prin racirea vaporilor componentului greu volatil.

Temperatura ramane constanta la tf a componentului greu volatil ,pana cand intreaga cantitate a distilat Daca amestecul de separat contine compusi cu temperaturi de fierbere suficient de departate ca valoare(100-150 0C),separarea se poate realiza prin distilare simpla.

Daca componentii amestecului au puncte de fierbere apropiate,separarea prin distilare simpla nu este completa ,de aceea se recurge la repetarea distilarii de mai multe ori ,pana cand distilatul se imbogateste in compus usor volatil.Procesul de repetare a operatiei de distilare de un numar de ori se numeste rectificare sau distilare fractionata.

Daca amestecul contine compusi care au temperatura de fierbere mai inalta decat temperatura de descompunere, atunci separarea lor de alti compusi cu care se afla in amestec omogen lichid, se poate face prin distilare in vid ,cand scaderea presiunii determina firberea compusului (ajungerea in stare de vapori ) la o temperatura mai mica decat tf pe care o are acel compus la presiune normala.

Se mai poate face separarea unui component dintr-un amestec prin antrenare cu vapori ,cand,vapori de apa sau alte lichide antreneaza din amestecul de separat componentul mai volatil.

Tipuri de distilare

1.Distilarea simpla sau diferentiala

La distilarea simpla, separarea componentelor are loc discontinuu, printr-o singura vaporizare, urmata de condensarea vaporilor formati.

Aparatura.

Instalatia de distilare (fig 1) foloseste ca fierbator (blaza) pentru amestecul de alimentare un balon Würtz 1; in lipsa baloanelor Würtz se pot folosi baloane cu fund rotund, prevazute cu cap de distilare. Modul de incalzire (pe sita, de azbest, in baie de apa, baie de nisip) se alege in functie de natura substantei supuse distilarii si de temperatura de fierbere. Pentru substantele inflamabile (eter, acetone, alcool), sursa de caldura poate fi un resou electric sau o baie de apa 5, incalzita cu un bec de gaz 3, printr-o sita de azbest 7, iar pentru lichide cu pf=80-250°C, bai de aer, nisip sau ulei.Temperatura se controleaza cu termometrul 4, introdus in gatul balonului, al carui rezervor cu mercur se gaseste la aceeasi inaltime cu tubul laterar al balonului. Condensarea vaporilor si racirea se efectueaza intr-un refrigerant Liebig 2, racit cu apa prin manta si legat la instalatia de apa printr-un tub de cauciuc; capatul superior al refrigerentului este pus in legatura printr-un alt tub de cauciuc,la un canal de scurgere. Pentru distilarea produselor care se pot congela se folosesc refrigerente de aer. Refrigerentul le leaga cu vasul de conectare 9 (pahar erlenmayer, cu cilindru gradat) printr-o aloja 10. Instalatia este montata pe un stativ 6, cu ajutorul unor cleme cu mufa 8.

Fig 1. Instalatia de distilare.

2.Distilarea fractionata

Distilarea fractionatae este o varianta a distilarii simple, aplicata amestecurilor de substante lichide cu puncte de fierbere apropiate. La obtinerea fiecarui component a obtinerea fiecarei componente (substante) se colecteaza 3 fractiuni:fractiunea principala (fractiunea de mijloc) si coada de distilare (fractiunea de sfarsit), care contine componenta mai greu volatilae.Daca intre punctele de fierbere aleale componentelor sunt diferente mari, se poate intrebuinta aceeasi temperatura ca la distilarea simpla. Deoarece distilarea fractionata se realizeaza meticulous si duce la pierderi inseminate de substante, procedeul este inlocuit cu rectificarea .

3.Distilarea la presiune redusa sau sub vid Substantele lichide care se pot descompune inainte de a se atinge temperatura de fierbere la presiune normala se supun distilarii sub vid, deoarece la presiune redusa se micsoreaza temperatura lor de fierbere. Instalatia de distilare sub vid este reprezentata in fig 2. Balonul Claisen -1 se fixeaza cu ajutorul unor cleme -7 de stativul -6, apoi se aseaza sita sau baia de incalzire- 4 pe trepiedul 5. Se potriveste pozitia becului -3 si se monteaza refrigerentul de apa Liebieg -2 printr-o clema -7 de stativul al doilea -6.

Fig. 2. Instalatia de distilare sub vid

RECTIFICAREA

RECTIFICAREA

Rectificarea este o metoda perfectionata de distilare realizata intr-o instalatie unitara prevazuta cu o coloana de rectificare, in care o parte din distilatul condensate (refluxul) circula in contact direct si in contracurent cu vaporii; metoda permite separarea prin redistilare a substantelor cu puncte de fierbere apropiate. Instalatia de rectificare poate functiona continuu sau discontinuu. Aparatura. Principalele parti ale instalatiei de recticare sunt:

balonul de distilare, coloana propriu-zisa, condensatorul si vasul pt colectarea distilatului.

Coloanele de rectificare. In coloanele de rectificare vaporii distilati obtinuti in baza circula de jos in sus, racindu-se treptat in contracurent cu o parte din lichidul condensat, numit reflux, care se incalzeste treptat. La instalatiile de rectificare, blazele si coloanele trebuie bine izolateisolate termic.

termic.

Fig.3. INSTALATIA DE RECTIFICARE 1-balon de distilare, 2-coloana de rectificare cu umplutura, 3-condensator, 4-aloja, 5-colector, 6-incalzire, 7-izolatie, 8-capilara, 9-manta de compensare, 10-manometru,11-manostat,12-trapa deretinere, 13-termometru,14-reostat.

Domenii de utilizare

Distilarea si rectificarea isi gasesc aplicatii in:

a) Industria fermentativa pentru obtinerea de bauturi alcoolice naturale tari si a spirtului. Prin distilare simpla se mai lucreaza si in industria bauturilor, in timp ce rectificarea si fractionarea se aplica in industria spirtului. Terminologia intrebuintata uzual nu corespunde terminologiei operatiilor tip. In industria spirtului si a bauturilor prin distilare se intelege o rectificare, iar prin “rafinare” o rectificare combinata cu o faractionare.Produsele supuse operatiilor de distilare, rectificare si fractionare din industria fermentativa sau amestecuri cu mai multe componente, componentele de calcul fiind alcoolul etilic si apa. Atat alcoolul etilic cu apa, cat si alte componente cu apa, aduc

amestecuri homoazeotrope si heteroazeotrope. Datorita acestei caracteristici, prin metodele obisnuite de distilare, rectificare si fractionare, in industria spirtului nu se poate obtine alcool etilic absolut, ci un amestec cu concentratia maxima a amestecului ezeotrop (95.57% alcool). Pentru obtinerea unei concentratii mai mari, sau a alcoolului absolut, trebuie sa se aplice metode speciale (distilarea azeotropa cu amestec termar: benzen – alcool etilic – apa sau eliminarea apei cu substante higrascopice).

In situatia distilarii vinului, printre numerosii constituenti care imbogatesc faza de vapori, in timpul incalzirii se afla si alcoolul etilic motiv pentru care in urma condensarii acestei faze, distilatul va avea de 3 – 4 ori concentratia de alcool mai mare, dar si alte substante usoare, unele cu un pronuntat grad de periculozitate sub raport igenico-sanitar.

Prin distilare se urmareste separarea si concentrarea principalilor constituenti volatili ai vinului si in special a alcoolului etilic. In acelasi timp se cauta sa se separe si acele substante care diminueaza calitatea distilatului ce urmeaza a fi supus invechirii.

Componentii din vin care pot produce deprecierea calitatii distilatelor, cand sunt in proportii ridicate, se impart in functie de punctul de fierbere, in doua categorii: constituenti cu punct de fierbere mai scazut fata de cel al alcoolului etilic si constituenti cu punct de fierbere mai ridicat decat al alcoolului etilic.

Pe faze de distilare, temperaturile de fierbere ale diferitilor compusi volatili ai vinului si caracteristicile lor olfactive sunt prezentate in tabelul A.

In prima faza, distila substantele ale caror puncte de fierbere sunt cuprinse intre 20.8o  C si 75o  C. Ele sunt incorporate in fractiunea de distilat ce rezulta la inceput numita “frunte”( tabelul nr.1).

Caracteristicile si modul de fractionare al distilatului brut.

 

Distilat \ Indici

Cantitate % vol. distilat brut

% vol.

alcool

Momentul fractionarii

% vol alcool

Modul de incalzire

Pana la temperatura

de fierbere

- - - Energic

Frunti 1 – 2 85 75 Slab

Mijloc 28 – 30 70 58 - 60 Moderat

Cozi 5 4 0 Intens

Tabel 1.

Principalii constituenti din frunte sunt aldehidele (acetica, propionica, butirica ), alcoolul metilic si unii esteri intre care se remarca acetatul de etil. In general aceste substante prezinta concentratii sporite in portiunea de distilat ce curge in prima faza, conferind “fruntii” un caracter foarte toxic.

De aceea aceasta fractiune nu trebuie sa ajunga in produsul destinat consumului.

Imprudentele comise de unele persoane care au consumat “frunte” de distilare s-au soldat, de multe ori cu intoxicari grave datorita, in special alcoolului metilic, prezent in cantitati destul de ridicate.

Temperatura de fierbere a diferitelor substante volatile la distilare

( dupa Gerasimov, M.A. )

 

SUBSTANTA 

Temp. defierbere( o   C )

FormulaChimica

 Caracteristici

Aldehida acetica 20.8 C2H4O Miros respingatorAldehida propionica 50.0 C3H6O Miros respingatorFormiatul de etil 54.15 C3H6O2 Miros placutAcetatul de etil 56.6 C4H6O2 Miros placutAlcoolul metilic 65.0 CH4O Miros neplacut aspruAldehida butirica 75.0 C4H8O Miros neplacut aspruAlcoolul etilic 78.3 C2H6O Miros specific placutAlcoolul propilic 97.4 C3H8O Miros specific placutApa 100.0 H2O NeutralAcetatii 102.9 C6H14O Miros specific placutAlcoolul izobutilic 108.4 C4H10O Miros puternic gust aspru

Esterul izobutirat de etil 110.1 C6H12O2 Miros placutAlcoolul butilic 117.5 C4H10O Miros placutAcidul acetic 118.1 C2H4O2 Miros specificEsterul butilat de etil 121.1 C6H12O2 Miros placut

Alcoolul amilic optic activ 128.0 C5H12O Miros asfixiant

Alcoolul izoamilic 132.0 C5H12O Miros asfixiant

 

In faza a doua, distila substantele cu punct de fierbere cuprinse intre 73.3o   C si 121o   C ( temperaturile de fierbere ale alcoolului etilic si butiratului de etil ). Alaturi de alcoolul etilic, in aceasta faza mai trec : alcoolii superiori si acetali caracterizati prin mirosuri placute ( in afara de alcoolul izobutilic ), apa, acidul acetic si unii esteri. fractiunea de distilat in care se afla substantele ce distila in faza a doua poarta numele de “mijloc”.

In faza a treia de distilare se separa o fractiune numita “coada ”. aceasta portiune de distilat se caracterizeaza printr-un exces de constituenti cu puncte de fierbere mai mari de 128 o   C. intre ei se afla unii acizi volatili, esteri, s.a. Unele din aceste substante pot sa inrautateasca calitatile olfacto-gustative ale distilatelor.

Coada contine asa – numitul fuzel sau ulei de fuzel si ea se separa, ca si fruntea atunci cand se urmareste obtinerea de vinars cu caracteristici superioare.

Instalatie de distilare a vinului

b) Industria miniera prin distilarea uscata a carbunilor de pamant (pirogenarea)

Prin distilarea uscata a carbunilor de pamant in spatiile inchise si in lipsa aerului se obtin patru produse principale: gaz de generator sau de cocserie, gudron, ape amoniacale si reziduu solid (semicocsul si cocsul).Distilarea carbunilor la temperaturi inalte se efectueaza in uzinele cocso-chimice sau in uzinele de gaz.

In functie de temperatura la care se efectueaza procesul termicde distilare a carbunilor se disting:

- semicocsificarea cand, sub actiunea temperaturii de 500-600°C, carbunii de pamant (lignitul) sunt transformati in semicocs, gudroane, gaze etc.

- cocsificarea cand, la temperaturi ce pot ajunge pana la 1000-1100°C, carbunii de pamant, mai ales huila, sunt transformati in cocs, gudroane,gaze etc.

Semicocsificarea se face cu scopul fie de a innobila carbunii inferiori (lignitii) si de a obtine semicocsul, fie de a obtine o cantitate cat mai importanta de gudroane nedescompuse.

Cocsificarea sau prelucrarea la temperaturi la temperaturi inalte se face cu scopul de a obtine cocs metalurgic. Gazul de generator sau de cocserie este alcatuit din H2, CH4, CO, H2S si alte gaze.

Compozitia gazului de generator depinde de felul carbunilor de pamant si de temperatura la care e face distilarea. Aceste gaze au puterea calorifica cuprinsa intre 4000 si 8500 kcal/m3 si sunt folosite pentru incalzire.

Gudronul este un lichid uleios de culoare bruna care contine hidrocarburi aromatice. Este mai greu decat apa si are un miros specific, neplacut.

Apele amoniacale contin dizolvate amoniac liber si saruri de amoniu, ca: NH4Cl, (NH4)2SO4, (NH4)2CO3. Apele amoniacale sunt intrebuintate fie la obtinerea amoniacului, fie la prepararea sarurilor de amoniu folosite ca ingrasaminte minerale.

Cocsul obtinut in uzinele cocsochimice contine 95% carbon si are o putere calorifica de 6800-8000 kcal/kg. Este folosit drept combustibil si ca agent reducator. Daca se tine seama de faptul ca pentru fiecare tona de fonta obtinuta se consuma circa o tona de cocs, este lesne de inteles importanta carbunilor pe pamant ca materie prima de baza pentru dezvoltarea industriei sidelurgice.

Uzinele cocsochmice care se construiesc pe langa marile combinate metalurgice, pentru a se obtine cocsul necesar fabricarii fontei, dau in acelas timp subproduse de cocserie. In tara noastra exista uzine cocsochimice la Hunedoara si la Resita.

c) un alt domeniu de utilizare este pentru reducerea si distilarea zincului, procedeu denumit Birkengang.

Acest procedeu are cateva mari dezavantaje ca productivitate redusa, discontinuitate in functionare etc. Motiv pentru care au fost concepute si alte procedee pentru reducerea si distilarea zincului. Unul dintre acestea este procedeul Morgan, pus la punct in cadrul societatii Imperial Smelting Co Ltd. din Marea Britanie, procedeu care se aplica si in tara noastra. Cunoscut sub denumirea prescurtata de I.S.P., procedeul prevede reducerea si distilarea zincului in cuptoare verticale cu cuva, cu functionare continua. Incarcatura de materiale alcatuita din aglomerat si cocs este introdusa pe la partea superioara, cu ajutorul unui dispozitiv alcatuit din doua conuri care asigura o inchidere etansa. La partea inferioara a cuptorului se afla creuzetul unde se colecteaza Pb (metal care insoteste de regula minereurile de Zn) si zgura. Deasupra creuzetului printr-o conducta inelara se sufla aer preincalzit. In aceasta zona peretii cuptorului sunt confectionati din elemente metalice de racire cu apa.

Vaporii de Zn si gazele rezultate din cuptor (in care se afla si vaporii de Pb) se elimina pe la partea superioara, unde temperatura depaseste 1000   o C si trec in doua condensatoare in care se capteaza Zn si Pb.Condensatoarele sunt prevazute cu agitatoare mecanice si pompe cu ajutorul carora amestecul de Zn si Pb este dirijat catre un decantor, de unde zincul este evaporat in exterior, iar Pb se recircula. In continuare gazele se desprafuiesc in cuptoare de tip Theisen fiind utilizate apoi drept combustibil. Dupa separare prin decantare de Pb, Zn brut are o puritate de 98%.

Impuritatile din Zn brut indiferent ca a fost obtinut in retorte orizontale sau in cuptor cu cuva pot ajunge pana la 2-4% si sunt compuse in mare parte din: Pb, Fe, Cd, Cu, Sb, As. In vederea eliminarii acestor impuritati se aplica o rafinare termica; cel mai eficient procedeu in acest scop fiind rafinarea prin rectificare.Rafinarea prin rectificare este in realitate o distilare fractionata, in urma careia Zn se separa de restul elementelor datorita temperaturii de volatilizare (906  o C) diferita de a acestora: Cd la 778  o C, Pb la peste 1700  o C, Fe la peste 3000  o C etc. Procedeul de rafinare a Zn prin rectificare, se aplica si la uzinele din Copsa Mica si asigura o pupitate de 99,99%

Uzina Copsa mica

Concluzii

Distilarea se foloseste atat ca operatie de separare de transfer de masa cese utilizeaza in mod frecvent in industria chimica dar si petrochimica si ca operatie de purificarea a unor substante. Separarea prin distilare, sau prin rectificare se bazeaza pe diferenta intretemperaturile de fierbere si intre presiunile de vapori ale componentilor careformeaza amestecul. In timpul fierberii, vaporii degajati din amestecul de lichidesunt mai bogati in componenti usor volatili, lichidul ramas imbogatindu-se incomponenti greu volatili.

Vaporii degajati si condensati formeaza fractiunea numita DISTILAT iar lichidul ramas nevaporizat, constituientul de baza. O succesiune de vaporizari si condensari poarta denumirea de RECTIFICARE.

Procesele de distilare si rectificare au o importanta deosebita in procesele din industrie ,fiind clasificate dupa diferite criterii.In urma acestor procese rezulta atat componenti volatile cat si constituientii ce urmeaza a fi prelucrati in diferite procedee.

Bibliografie

1. A. F. Mihailescu, I Luputiu, ,,EXPLOATAREA INTRETINEREAUTILAJELOR SI INSTALATIILOR DIN INDUSTRIA CHIMICA”,

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1985;

2. E. A. Bratu, ,,OPERATII SI UTILAJE IN INDUSTRIACHIMICA”, VOLUMUL 1, Editura tehnica, Bucuresti, 1969;

3. I. Craciun, C. Stan, ,,OPERATII SI UTILAJE IN INDUSTRIACHIMICA”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1996.

4. www.didactic.ro ;

5. facultate.regielive.ro