Distillazione frazionata: processo e colonna di distillazione

La distillazione frazionata è quella tecnica che consente di ottenere allo stato praticamente puro i singoli componenti contenuti in una miscela di liquidi. La distillazione è una tecnica già nota agli alchimisti ma fu solo all”inizio del XIX secolo che furono sviluppate le basi delle tecniche moderne e nel 1877 il chimico belga Ernest Solvay ottenne un brevetto statunitense per una colonna di distillazione a piatti.

La distillazione frazionata si basa sul principio per il quale, riscaldando una miscela di due o più liquidi, bolle per primo quello che ha la tensione di vapore più elevata e cioè il più basso bollente.

Ogni sostanza liquida pura, ad una data pressione, ha un suo caratteristico punto di ebollizione. Riscaldando una miscela di liquidi in una colonna di distillazione, alla sommità di essa si accumulano i vapori del componente più volatile, i quali, una volta condensati sono raccolti.

L’operazione descritta è quella più semplice ed è applicabile  quando i punti di ebollizione dei componenti della miscela sono molto diversi tra loro.

In caso contrario, per ottenere i diversi componenti allo stato puro è necessario applicare la tecnica della distillazione frazionata. Essa è nota anche con il termine di rettificazione, il cui principio è basato sul fatto che la composizione dei vapori liberati da una miscela al suo punto di ebollizione, è diversa da quella della miscela liquida in equilibrio con tali vapori secondo quanto enunciato dalla regola di Konowaloff.

La distillazione frazionate produce separazioni più efficienti rispetto alla distillazione semplice e può essere eseguita in modalità continua, con alimentazione continua del campione alla colonna, o in modalità batch, con il posizionamento di una quantità discreta di campione nel pallone di ebollizione.

Processo della distillazione frazionata

Supponiamo di avere una soluzione costituita dai componenti A e B di composizione Xo in equilibrio con una fase vapore di composizione X₁.
Sottraendo all’equilibrio la fase vapore e condensandola, la nuova fase vapore avrà una composizione diversa X₂.

Allo stesso modo il liquido a cui è stata sottratta la fase vapore è più ricco in B rispetto alla composizione originaria X_o, per esempio X₃.

Analogamente , ripetendo il processo per un numero sufficiente di volte si può ottenere un liquido contenente il componente B praticamente puro.
Nelle colonne di distillazione si realizza in continuo il processo descritto: il vapore di composizione X₂ che si libera per l’ebollizione della miscela sale lungo la colonna dove si raffredda progressivamente.

Durante il raffreddamento una parte si  condensa ed è più ricca del componente meno volatile. Il calore di liquefazione sviluppato fa evaporare una parte del liquido condensato che è  più ricco del componente a punto di ebollizione minore.
La parte rimasta o tornata allo stato di vapore continua a salire nella colonna e le frazioni che ne occupano la parte più alta sono sempre più ricche del componente più volatile.

Colonna di distillazione

Quando tutta la colonna è occupata dalla miscela liquido-vapore si ha una situazione di equilibrio dinamico.

Le varie sezioni della colonna (piatti) sono occupate dal basso verso l’alto, da miscele via via più ricche del componente più volatile. Giunti in condizioni di regime, ogni piatto della colonna è caratterizzato da una sua temperatura. Questa  è la temperatura di ebollizione della miscela ivi presente e delle rispettive composizioni del vapore e del liquido che in esso si trovano in equilibrio.

In ogni piatto si crea una situazione per cui esiste uno scambio continuo tra la fase liquida e quella vapore. Quest’ultima  si arricchisce del componente più volatile, che sale verso il piatto successivo.

Contemporaneamente, nel piatto preso in considerazione, cade da quello superiore il liquido che trabocca  che è  più ricco del componente meno volatile.

Riflusso

Un elemento importante della distillazione è il riflusso, che è attuato  facendo sì che parte del condensato anziché cadere nel recipiente di raccolta del distillato, rifluisca in testa alla colonna, dove si ottiene un arricchimento maggiore nel componente più volatile e una contemporanea ricaduta del componente meno volatile nei piatti inferiori.

Il fenomeno per cui la fase liquida dei piatti superiori trabocca e ricade nei piatti inferiori è assai importante perché permette un continuo processo di arricchimento di questi ultimi nel componente meno volatile, mentre per il fenomeno inverso (evaporazione) la salita verso l’alto del vapore più ricco del componente più volatile arricchisce di quest’ultimo i piatti superiori.

Il riflusso consente di sfruttare meglio i piatti della colonna e i risultati migliori si ottengono a riflusso totale, e ciò perché solo in queste condizioni il sistema è permanentemente in equilibrio. Il prelievo del distillato, infatti, turba l’equilibrio in quanto sottrae al sistema un componente e deve essere pertanto effettuato molto lentamente.

In pratica il processo di distillazione frazionata si realizza riscaldando in un pallone la miscela fino alla temperatura di ebollizione. Sopra il pallone è posta la colonna di distillazione. Essa è costituita da un tubo verticale all’interno del quale sono poste inframmezzature orizzontali come si può vedere in figura:

Il vapore passa attraverso le campanelle di gorgogliamento, scalda il liquido nel piatto e lo fa evaporare.

La parte alta della colonna è più ricca del componente più volatile. Se è sufficientemente lunga, si può avere il componente più volatile in testa alla colonna e il componente B in coda. Il vapore in testa alla colonna viene ricondensato tramite un refrigerante a camicia d’acqua.

Miscela a più componenti

Quando si ha una miscela a più componenti si ricorre alla distillazione frazionata che consiste nel realizzare una colonna di distillazione. In essa, a regime, le varie sostanze costituenti la miscela si stabilizzano allo stato puro in zone diverse della colonna stessa. I componenti meno volatili occuperanno le zone basse della colonna e quelli più volatili le zone più alte in ordine decrescente di punto di ebollizione.

Se:

• la colonna di distillazione è sufficientemente efficiente
• la miscela non troppo complessa

si può giunge a una situazione in cui a diverse altezze si ottengono i vari componenti della miscela allo stato quasi puro.

La possibilità di effettuare una distillazione frazionata è legata al diverso punto di ebollizione dei componenti della miscela.

Più i punti si avvicinano, più stretto è l’intervallo fra le due curve del vapore e del liquido fino a che, al limite, se i punti di ebollizione di A e B coincidono le due curve si riducono a una retta orizzontale.