Destilação fraccionada - Fractional distillation

Destilação fracionada é a separação de uma mistura em suas partes componentes, ou frações . Os compostos químicos são separados por aquecimento a uma temperatura na qual uma ou mais frações da mistura irão vaporizar . Ele usa destilação para fracionar . Geralmente, as peças componentes têm pontos de ebulição que diferem em menos de 25 ° C (45 ° F) um do outro sob a pressão de uma atmosfera . Se a diferença nos pontos de ebulição for maior que 25 ° C, uma destilação simples é normalmente usada.

Configuração de laboratório

A destilação fracionada em um laboratório faz uso de utensílios de vidro e aparelhos comuns de laboratório , normalmente incluindo um queimador de Bunsen , um frasco de fundo redondo e um condensador , bem como a coluna de fracionamento de propósito único .

Destilação fracionada
Um frasco Erlenmeyer é usado como frasco receptor. Aqui, a cabeça de destilação e a coluna de fracionamento são combinadas em uma peça.

Uma configuração de laboratório incluiria:

Discussão

Como exemplo, considere a destilação de uma mistura de água e etanol . O etanol ferve a 78,4 ° C (173,1 ° F) enquanto a água ferve a 100 ° C (212 ° F). Assim, ao aquecer a mistura, o componente mais volátil (etanol) se concentrará em maior grau no vapor que sai do líquido. Algumas misturas formam azeótropos , onde a mistura ferve a uma temperatura mais baixa do que qualquer um dos componentes. Neste exemplo, uma mistura de 96% de etanol e 4% de água ferve a 78,2 ° C (172,8 ° F); a mistura é mais volátil do que o etanol puro. Por esta razão, o etanol não pode ser completamente purificado por destilação fracionada direta de misturas de etanol-água.

O aparelho é montado conforme o diagrama. (O diagrama representa um aparelho em lote em oposição a um aparelho contínuo.) A mistura é colocada no frasco de fundo redondo junto com alguns grânulos anti-colisão (ou uma barra de agitador magnético revestido de Teflon se usando agitação magnética ), e a coluna de fracionamento é encaixado no topo. A coluna de destilação fracionada é configurada com a fonte de calor no fundo da panela de destilação. Conforme a distância do ponto imóvel aumenta, um gradiente de temperatura é formado na coluna; é mais fresco na parte superior e mais quente na parte inferior. À medida que o vapor misturado sobe no gradiente de temperatura, parte do vapor condensa e revaporiza ao longo do gradiente de temperatura . Cada vez que o vapor se condensa e vaporiza, a composição do componente mais volátil do vapor aumenta. Isso destila o vapor ao longo do comprimento da coluna e, eventualmente, o vapor é composto apenas do componente mais volátil (ou um azeótropo). O vapor se condensa nas plataformas de vidro, conhecidas como bandejas , dentro da coluna, e volta para o líquido abaixo, refluindo o destilado. A eficiência em termos de quantidade de aquecimento e tempo necessário para obter o fracionamento pode ser melhorada isolando-se a parte externa da coluna em um isolador, como lã, folha de alumínio ou, de preferência, uma camisa de vácuo. A bandeja mais quente fica na parte inferior e a mais fria na parte superior. Em condições de estado estacionário, o vapor e o líquido em cada bandeja estão em equilíbrio . O componente mais volátil da mistura sai como um gás no topo da coluna. O vapor no topo da coluna passa então para o condensador, que o resfria até se liquefazer. A separação é mais pura com a adição de mais bandejas (para uma limitação prática de calor, fluxo, etc.) Inicialmente, o condensado estará próximo da composição azeotrópica, mas quando muito do etanol for retirado, o condensado se torna gradualmente mais rico em água. O processo continua até que todo o etanol saia da mistura e ferva. Este ponto pode ser reconhecido pelo aumento acentuado da temperatura mostrado no termômetro .

A explicação acima reflete a maneira teórica como o fracionamento funciona. As colunas normais de fracionamento de laboratório serão tubos de vidro simples (geralmente revestidos a vácuo e, às vezes, internamente prateados ) preenchidos com uma embalagem, geralmente pequenas hélices de vidro de 4 a 7 milímetros (0,16 a 0,28 pol.) De diâmetro. Essa coluna pode ser calibrada pela destilação de um sistema de mistura conhecido para quantificar a coluna em termos de número de bandejas teóricas. Para melhorar o fracionamento, o aparelho é configurado para retornar o condensado para a coluna pelo uso de algum tipo de divisor de refluxo (fio de refluxo, gago, balde oscilante magnético, etc.) - um fracionamento cuidadoso típico empregaria uma razão de refluxo de cerca de 4: 1 (4 partes de condensado retornado para 1 parte de condensado decolagem).

Na destilação de laboratório, vários tipos de condensadores são comumente encontrados. O condensador Liebig é simplesmente um tubo reto dentro de uma camisa de água e é a forma mais simples (e relativamente menos cara) de condensador. O condensador de Graham é um tubo em espiral dentro de uma camisa de água, e o condensador Allihn tem uma série de grandes e pequenas constrições no tubo interno, cada uma aumentando a área da superfície na qual os constituintes do vapor podem se condensar.

As configurações alternativas podem usar um frasco receptor de destilação de múltiplas saídas (referido como uma "vaca" ou "porco") para conectar três ou quatro frascos receptores ao condensador. Girando a vaca ou o porco, os destilados podem ser canalizados para qualquer receptor escolhido. Como o receptor não precisa ser removido e substituído durante o processo de destilação, este tipo de aparelho é útil para destilar sob uma atmosfera inerte para produtos químicos sensíveis ao ar ou sob pressão reduzida. Um triângulo de Perkin é um aparelho alternativo frequentemente usado nessas situações porque permite o isolamento do receptor do resto do sistema, mas requer a remoção e reconexão de um único receptor para cada fração.

Os sistemas de destilação a vácuo operam a pressão reduzida, baixando assim os pontos de ebulição dos materiais. Grânulos anti-colisão , no entanto, tornam-se ineficazes em pressões reduzidas.

Destilação industrial

Colunas de destilação fracionada industrial típica

A destilação fracionada é a forma mais comum de tecnologia de separação usada em refinarias de petróleo , plantas petroquímicas e químicas , processamento de gás natural e plantas de separação criogênica de ar . Na maioria dos casos, a destilação é operada em um estado estacionário contínuo . Novo feed está sempre sendo adicionado à coluna de destilação e produtos estão sempre sendo removidos. A menos que o processo seja perturbado devido a mudanças na alimentação, calor, temperatura ambiente ou condensação, a quantidade de alimentação adicionada e a quantidade de produto removida são normalmente iguais. Isso é conhecido como destilação fracionária contínua e em estado estacionário.

A destilação industrial é tipicamente realizada em grandes colunas cilíndricas verticais conhecidas como "torres de destilação ou fracionamento" ou "colunas de destilação" com diâmetros variando de cerca de 0,65 a 6 metros (2 a 20 pés) e alturas variando de cerca de 6 a 60 metros (20 a 197 pés) ou mais. As torres de destilação têm saídas de líquido em intervalos acima da coluna que permitem a retirada de diferentes frações ou produtos com diferentes pontos de ebulição ou intervalos de ebulição. Ao aumentar a temperatura do produto dentro das colunas, os diferentes produtos são separados. 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 da parte inferior da coluna.

Por exemplo, a destilação fracionada é usada em refinarias de petróleo para separar o petróleo bruto em substâncias úteis (ou frações) com diferentes hidrocarbonetos de diferentes pontos de ebulição. As frações do petróleo bruto com pontos de ebulição mais elevados:

Diagrama de uma torre de destilação industrial típica

Torres industriais de grande porte usam refluxo para obter uma separação mais completa dos produtos. O refluxo refere-se à porção do produto líquido de cabeça condensado de uma torre de destilação ou fracionamento que é retornada à parte superior da torre, conforme mostrado no diagrama esquemático de uma torre de destilação industrial típica em grande escala . Dentro da torre, o líquido de refluxo que flui para baixo fornece o resfriamento 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 separação da torre dos materiais com ponto de ebulição mais baixo dos materiais com ponto de ebulição mais alto. Alternativamente, quanto mais refluxo for fornecido para uma determinada separação desejada, menos pratos teóricos são necessários.

O petróleo bruto é separado em frações por destilação fracionada. As frações no topo da coluna de fracionamento têm pontos de ebulição mais baixos do que as frações na parte inferior. Todas as frações são processadas posteriormente em outras unidades de refino.

A destilação fraccionada também é usado na separação de ar, produção de oxigénio líquido , azoto líquido , e altamente concentrada de árgon . A destilação de clorossilanos também permite a produção de silício de alta pureza para uso como semicondutor .

Em usos industriais, às vezes um material de embalagem é usado na coluna em vez de bandejas, especialmente quando são necessárias baixas quedas de pressão na coluna, como ao operar sob vácuo. Este material de embalagem pode ser embalagem descartada aleatoriamente (1–3 pol. (25–76 mm) de largura), como anéis Raschig ou folha de metal estruturada . Os fabricantes típicos são Koch, Sulzer e outras empresas. Os líquidos tendem a molhar a superfície da embalagem e os vapores passam por essa superfície molhada, onde ocorre a transferência de massa . Ao contrário da destilação em bandeja convencional, na qual cada bandeja representa um ponto separado de equilíbrio de vapor líquido, a curva de equilíbrio de vapor líquido em uma coluna compactada é contínua. No entanto, ao modelar colunas empacotadas, é útil calcular um número de "pratos teóricos" para denotar a eficiência de separação da coluna empacotada em relação às bandejas mais tradicionais. Gaxetas de formatos diferentes têm áreas de superfície e porosidade diferentes . Ambos os fatores afetam o desempenho da embalagem.

Projeto de colunas de destilação industrial

Esquema de engenharia química de bandejas de tampa de bolha típicas em uma torre de destilação

O projeto e a operação de uma coluna de destilação dependem da alimentação e dos produtos desejados. Dado um feed de componente binário simples, métodos analíticos como o método McCabe – Thiele ou a equação de Fenske podem ser usados. Para uma alimentação de vários componentes, modelos de simulação são usados ​​para projeto e operação.

Além disso, as eficiências dos dispositivos de contato vapor-líquido (referidos como placas ou bandejas ) usados ​​em colunas de destilação são normalmente mais baixas do que um estágio de equilíbrio teórico 100% eficiente . Conseqüentemente, uma coluna de destilação precisa de mais placas do que o número de estágios de equilíbrio líquido-vapor teórico.

O refluxo se refere à parte do produto condensado que é devolvido à torre. O refluxo que flui para baixo fornece o resfriamento necessário para condensar os vapores que fluem para cima. A proporção de refluxo, que é a proporção do refluxo (interno) para o produto de cabeça, está inversamente relacionada ao número teórico de estágios necessários para a separação eficiente dos produtos de destilação. As torres ou colunas de destilação fracionada são projetadas para alcançar a separação necessária de forma eficiente. O projeto das colunas de fracionamento é normalmente feito em duas etapas; um projeto de processo, seguido por um projeto mecânico. O objetivo do projeto do processo é calcular o número de estágios teóricos necessários e fluxos de corrente, incluindo a razão de refluxo, refluxo de calor e outras tarefas de calor. O objetivo do projeto mecânico, por outro lado, é selecionar as partes internas da torre, o diâmetro e a altura da coluna. Na maioria dos casos, o projeto mecânico das torres de fracionamento não é simples. Para a seleção eficiente das partes internas da torre e o cálculo preciso da altura e diâmetro da coluna, muitos fatores devem ser levados em consideração. Alguns dos fatores envolvidos nos cálculos do projeto incluem o tamanho e as propriedades da carga de alimentação e o tipo de coluna de destilação usada.

Os dois principais tipos de colunas de destilação usados ​​são bandejas e colunas de embalagem. As colunas de empacotamento são normalmente usadas para torres menores e cargas que são corrosivas ou sensíveis à temperatura ou para serviço a vácuo onde a queda de pressão é importante. As colunas da bandeja, por outro lado, são usadas para colunas maiores com altas cargas de líquido. Eles apareceram pela primeira vez em cena na década de 1820. Na maioria das operações de refinaria de petróleo, as colunas de bandeja são usadas principalmente para a separação de frações de petróleo em diferentes estágios de refino de petróleo.

Na indústria de refino de petróleo, o projeto e a operação de torres de fracionamento ainda são amplamente realizados de forma empírica. Os cálculos envolvidos no projeto de colunas de fracionamento de petróleo requerem, na prática usual, o uso de gráficos numeráveis, tabelas e equações empíricas complexas. Nos últimos anos, entretanto, uma quantidade considerável de trabalho foi realizada para desenvolver procedimentos de projeto auxiliados por computador eficientes e confiáveis ​​para destilação fracionada.

Veja também

Referências