Destilação -Distillation

Exibição de laboratório de destilação: 1: Uma fonte de calor 2: Balão de fundo redondo 3: Cabeça de destilação 4: Termômetro/temperatura de ponto de ebulição 5: Condensador 6: Água de resfriamento 7: Água de resfriamento fora 8: Destilado/balão de recepção 9: Vácuo/gás entrada 10: Receptor de destilação 11: Controle de aquecimento 12: Controle de velocidade do agitador 13: Agitador/placa de aquecimento 14: Banho de aquecimento (óleo/areia) 15: Mecanismo de agitação (não mostrado), por exemplo , cavacos de ebulição ou agitador mecânico16: Banho de resfriamento.

Destilação , ou destilação clássica, é o processo de separar os componentes ou substâncias de uma mistura líquida usando ebulição seletiva e condensação . A destilação a seco é o aquecimento de materiais sólidos para produzir produtos gasosos (que podem condensar em líquidos ou sólidos). A destilação a seco pode envolver alterações químicas, como destilação destrutiva ou rachaduras , e não é discutida neste artigo. A destilação pode resultar em separação essencialmente completa (componentes quase puros), ou pode ser uma separação parcial que aumenta a concentração de componentes selecionados na mistura. Em ambos os casos, o processo explora diferenças na volatilidade relativa dos componentes da mistura. Em aplicações industriais , a destilação é uma operação unitária de importância praticamente universal, mas é um processo de separação física, não uma reação química .

A destilação tem muitas aplicações. Por exemplo:

Uma instalação utilizada para destilação, especialmente de bebidas destiladas, é uma destilaria. O próprio equipamento de destilação é um alambique .

História

Equipamento de destilação usado pelo alquimista do século III Zósimo de Panópolis , do manuscrito grego bizantino Parisinus graces.

As primeiras evidências de destilação foram encontradas em tabuinhas acadianas datadas de c. 1200 aC descrevendo as operações de perfumaria. As tabuinhas forneceram evidências textuais de que uma forma primitiva de destilação era conhecida pelos babilônios da antiga Mesopotâmia . As primeiras evidências de destilação também foram encontradas relacionadas a alquimistas que trabalhavam em Alexandria , no Egito romano , no século I dC.

A destilação era praticada no antigo subcontinente indiano , o que é evidente a partir de retortas de barro cozido e receptores encontrados em Taxila , Shaikhan Dheri e Charsadda no Paquistão moderno , datando dos primeiros séculos da Era Comum . Esses " alambiques Gandhara " só eram capazes de produzir licor muito fraco , pois não havia meios eficientes de coletar os vapores em fogo baixo. A água destilada está em uso desde pelo menos c. 200 EC, quando Alexandre de Afrodisias descreveu o processo. O trabalho de destilação de outros líquidos continuou no início do Egito bizantino sob Zósimo de Panópolis no século III.

A destilação na China pode ter começado durante a dinastia Han Oriental (séculos 1 a 2 dC), mas a destilação de bebidas começou nas dinastias Jin (séculos 12 a 13) e Song do sul (séculos 10 a 13), de acordo com evidências arqueológicas.

Químicos muçulmanos medievais como Jābir ibn Ḥayyān (latim: Geber, século IX) e Abū Bakr al-Rāzī (latim: Rhazes, c.  865–925 ) experimentaram extensivamente a destilação de várias substâncias.

A destilação do vinho é atestada em obras árabes atribuídas a al-Kindī (c. 801–873 dC) e al-Fārābī (c. 872–950), e no 28º livro de al-Zahrāwī 's (latim: Abulcasis , 936–1013) Kitāb al-Taṣrīf (mais tarde traduzido para o latim como Liber servatoris ). No século XII, receitas para a produção de aqua ardens ("água ardente", isto é, etanol) pela destilação do vinho com sal começaram a aparecer em várias obras latinas e, no final do século XIII, tornou-se amplamente substância conhecida entre os químicos da Europa Ocidental. Os trabalhos de Taddeo Alderotti (1223-1296) descrevem um método de concentração de álcool envolvendo destilação repetida através de um alambique resfriado a água, pelo qual uma pureza alcoólica de 90% pode ser obtida.

A destilação fracionada de substâncias orgânicas desempenha um papel importante nas obras atribuídas a Jābir ibn Ḥayyān, como no Kitāb al-Sabʿīn ('O Livro dos Setenta'), traduzido para o latim por Gerard de Cremona (c. 1114–1187) sob o título Liber de septuaginta . As experiências jabirianas de destilação fracionada de substâncias animais e vegetais, e em menor grau também de substâncias minerais, é o tema principal do De anima in arte alkimiae , obra originalmente árabe falsamente atribuída a Avicena que foi traduzida para o latim e passaria a para formar a fonte alquímica mais importante para Roger Bacon ( c.  1220–1292 ).

Um alambique foi encontrado em um sítio arqueológico em Qinglong, província de Hebei , na China, que remonta ao século XII. As bebidas destiladas eram comuns durante a dinastia Yuan (séculos XIII-XIV).

Em 1500, o alquimista alemão Hieronymus Braunschweig publicou Liber de arte destillandi ( O Livro da Arte da Destilação ), o primeiro livro dedicado exclusivamente ao tema da destilação, seguido em 1512 por uma versão muito expandida. Em 1651, John French publicou The Art of Distillation , o primeiro grande compêndio inglês sobre a prática, mas afirma-se que muito dele deriva do trabalho de Braunschweig. Isso inclui diagramas com pessoas mostrando a escala industrial em vez de escala da operação.

Liber de arte Distillandi de Compositis de Hieronymus Brunschwig (Estrassburgo, 1512) Instituto de História da Ciência
Uma réplica
Destilação
Vodka ucraniana velha ainda
Destilação de licor simples em Timor Leste

À medida que a alquimia evoluiu para a ciência da química , recipientes chamados retortas passaram a ser usados ​​para destilações. Tanto os alambiques quanto as retortas são formas de vidro com gargalos longos apontando para o lado em um ângulo descendente para atuar como condensadores resfriados a ar para condensar o destilado e deixá-lo escorrer para baixo para coleta. Mais tarde, os alambiques de cobre foram inventados. As juntas rebitadas eram frequentemente mantidas apertadas usando várias misturas, por exemplo, uma massa feita de farinha de centeio. Esses alambiques muitas vezes apresentavam um sistema de resfriamento ao redor do bico, usando água fria, por exemplo, o que tornava a condensação do álcool mais eficiente. Estes foram chamados de alambiques . Hoje, as retortas e alambiques foram amplamente suplantados por métodos de destilação mais eficientes na maioria dos processos industriais. No entanto, o alambique ainda é muito utilizado para a elaboração de alguns álcoois finos, como conhaque , uísque escocês , uísque irlandês , tequila , rum , cachaça e algumas vodkas . Alambiques de vários materiais (madeira, barro, aço inoxidável) também são usados ​​por contrabandistas em vários países. Pequenos alambiques também são vendidos para uso na produção doméstica de água de flores ou óleos essenciais .

As primeiras formas de destilação envolviam processos em lote usando uma vaporização e uma condensação. A pureza foi melhorada por destilação adicional do condensado. Maiores volumes foram processados ​​simplesmente repetindo a destilação. Os químicos teriam realizado de 500 a 600 destilações para obter um composto puro.

No início do século 19, foram desenvolvidos os fundamentos das técnicas modernas, incluindo pré-aquecimento e refluxo . Em 1822, Anthony Perrier desenvolveu um dos primeiros alambiques contínuos, e então, em 1826, Robert Stein melhorou esse projeto para fazer sua patente ainda . Em 1830, Aeneas Coffey obteve uma patente para melhorar ainda mais o design. O alambique contínuo da Coffey pode ser considerado o arquétipo das modernas unidades petroquímicas. O engenheiro francês Armand Savalle desenvolveu seu regulador de vapor por volta de 1846. Em 1877, Ernest Solvay recebeu uma patente dos EUA para uma coluna de bandeja para destilação de amônia , e nos mesmos anos e nos anos seguintes houve desenvolvimentos neste tema para óleos e bebidas espirituosas.

Com o surgimento da engenharia química como disciplina no final do século XIX, métodos científicos em vez de empíricos puderam ser aplicados. O desenvolvimento da indústria do petróleo no início do século 20 forneceu o impulso para o desenvolvimento de métodos de projeto precisos, como o método McCabe-Thiele de Ernest Thiele e a equação de Fenske . A primeira planta industrial nos Estados Unidos a usar a destilação como meio de dessalinização oceânica foi inaugurada em Freeport, Texas, em 1961, com a esperança de trazer segurança hídrica para a região. A disponibilidade de computadores poderosos permitiu simulações computadorizadas diretas de colunas de destilação.

Formulários

A aplicação da destilação pode ser dividida aproximadamente em quatro grupos: escala laboratorial , destilação industrial , destilação de ervas para perfumaria e medicamentos ( destilado de ervas ), e processamento de alimentos . Os dois últimos são distintamente diferentes dos dois anteriores, pois a destilação não é usada como um verdadeiro método de purificação, mas mais para transferir todos os voláteis dos materiais de origem para o destilado no processamento de bebidas e ervas.

A principal diferença entre a destilação em escala laboratorial e a destilação industrial é que a destilação em escala laboratorial é frequentemente realizada em lotes, enquanto a destilação industrial geralmente ocorre continuamente. Na destilação em lote , a composição do material de origem, os vapores dos compostos de destilação e o destilado mudam durante a destilação. Na destilação em lote, um alambique é carregado (fornecido) com um lote de mistura de alimentação, que é então separado em suas frações componentes, que são coletadas sequencialmente do mais volátil para o menos volátil, com os fundos - permanecendo menos ou fração não volátil - removido no final. O alambique pode então ser recarregado e o processo repetido.

Na destilação contínua , os materiais de origem, vapores e destilados são mantidos em uma composição constante, reabastecendo cuidadosamente o material de origem e removendo frações de vapor e líquido no sistema. Isso resulta em um controle mais detalhado do processo de separação.

Modelo idealizado

O ponto de ebulição de um líquido é a temperatura na qual a pressão de vapor do líquido se iguala à pressão ao redor do líquido, permitindo a formação de bolhas sem serem esmagadas. Um caso especial é o ponto de ebulição normal , onde a pressão de vapor do líquido é igual à pressão atmosférica ambiente .

É um equívoco que em uma mistura líquida a uma determinada pressão, cada componente ferve no ponto de ebulição correspondente à pressão dada, permitindo que os vapores de cada componente se acumulem separadamente e puramente. No entanto, isso não ocorre, mesmo em um sistema idealizado. Modelos idealizados de destilação são essencialmente governados pela lei de Raoult e pela lei de Dalton e assumem que os equilíbrios vapor-líquido são alcançados.

A lei de Raoult afirma que a pressão de vapor de uma solução depende 1) da pressão de vapor de cada componente químico na solução e 2) da fração de solução que cada componente constitui, também conhecida como fração molar . Essa lei se aplica a soluções ideais , ou soluções que possuem componentes diferentes, mas cujas interações moleculares são iguais ou muito semelhantes a soluções puras.

A lei de Dalton afirma que a pressão total é a soma das pressões parciais de cada componente individual na mistura. Quando um líquido multicomponente é aquecido, a pressão de vapor de cada componente aumenta, fazendo com que a pressão de vapor total aumente. Quando a pressão total de vapor atinge a pressão ao redor do líquido, ocorre a ebulição e o líquido se transforma em gás em todo o volume do líquido. Uma mistura com uma dada composição tem um ponto de ebulição a uma dada pressão quando os componentes são mutuamente solúveis. Uma mistura de composição constante não possui múltiplos pontos de ebulição.

Uma implicação de um ponto de ebulição é que os componentes mais leves nunca "fervem primeiro". No ponto de ebulição, todos os componentes voláteis entram em ebulição, mas para um componente, sua porcentagem no vapor é a mesma que sua porcentagem da pressão total de vapor. Os componentes mais leves têm uma pressão parcial mais alta e, portanto, estão concentrados no vapor, mas os componentes voláteis mais pesados ​​também têm uma pressão parcial (menor) e necessariamente vaporizam também, embora em menor concentração no vapor. De fato, a destilação e o fracionamento em lote são bem-sucedidos variando a composição da mistura. Na destilação em batelada, a batelada se vaporiza, o que altera sua composição; no fracionamento, o líquido mais alto na coluna de fracionamento contém mais luz e ferve em temperaturas mais baixas. Portanto, a partir de uma determinada mistura, parece ter uma faixa de ebulição em vez de um ponto de ebulição, embora isso ocorra porque sua composição muda: cada mistura intermediária tem seu próprio ponto de ebulição singular.

O modelo idealizado é preciso no caso de líquidos quimicamente semelhantes, como benzeno e tolueno . Em outros casos, são observados desvios severos da lei de Raoult e da lei de Dalton, principalmente na mistura de etanol e água. Esses compostos, quando aquecidos juntos, formam um azeótropo , que é quando a fase vapor e a fase líquida contêm a mesma composição. Embora existam métodos computacionais que podem ser usados ​​para estimar o comportamento de uma mistura de componentes arbitrários, a única maneira de obter dados precisos de equilíbrio vapor-líquido é por medição.

Não é possível purificar completamente uma mistura de componentes por destilação, pois isso exigiria que cada componente da mistura tivesse uma pressão parcial zero . Se os produtos ultrapuros são o objetivo, uma separação química adicional deve ser aplicada. Quando uma mistura binária é vaporizada e o outro componente, por exemplo, um sal, tem pressão parcial zero para fins práticos, o processo é mais simples.

Destilação em lote ou diferencial

Um lote ainda mostrando a separação de A e B.

Aquecer uma mistura ideal de duas substâncias voláteis, A e B, com A tendo a volatilidade mais alta, ou ponto de ebulição mais baixo, em uma configuração de destilação em lote (como em um aparelho representado na figura de abertura) até que a mistura esteja em ebulição resulta em uma vapor acima do líquido que contém uma mistura de A e B. A razão entre A e B no vapor será diferente da razão no líquido. A proporção no líquido será determinada pela forma como a mistura original foi preparada, enquanto a proporção no vapor será enriquecida no composto mais volátil, A (devido à Lei de Raoult, veja acima). O vapor passa pelo condensador e é removido do sistema. Isso, por sua vez, significa que a proporção de compostos no líquido restante agora é diferente da proporção inicial (ou seja, mais enriquecida em B do que no líquido inicial).

O resultado é que a proporção na mistura líquida está mudando, tornando-se mais rica no componente B. Isso faz com que o ponto de ebulição da mistura aumente, o que resulta em um aumento na temperatura do vapor, o que resulta em uma proporção variável de A : B na fase gasosa (à medida que a destilação continua, há uma proporção crescente de B na fase gasosa). Isso resulta em uma proporção de A : B que muda lentamente no destilado.

Se a diferença de pressão de vapor entre os dois componentes A e B for grande – geralmente expressa como a diferença de pontos de ebulição – a mistura no início da destilação é altamente enriquecida no componente A, e quando o componente A foi destilado, a líquido é enriquecido no componente B.

Destilação contínua

A destilação contínua é uma destilação contínua na qual uma mistura líquida é continuamente (sem interrupção) alimentada no processo e as frações separadas são removidas continuamente à medida que os fluxos de saída ocorrem ao longo do tempo durante a operação. A destilação contínua produz um mínimo de duas frações de saída, incluindo pelo menos uma fração de destilado volátil , que ferveu e foi capturada separadamente como vapor e depois condensada em um líquido. Há sempre uma fração de fundo (ou resíduo), que é o resíduo menos volátil que não foi capturado separadamente como vapor condensado.

A destilação contínua difere da destilação descontínua no sentido de que as concentrações não devem mudar ao longo do tempo. A destilação contínua pode ser executada em estado estacionário por um período de tempo arbitrário. Para qualquer matéria-prima de composição específica, as principais variáveis ​​que afetam a pureza dos produtos em destilação contínua são a razão de refluxo e o número de estágios de equilíbrio teórico, determinados na prática pelo número de bandejas ou pela altura de empacotamento. O refluxo é um fluxo do condensador de volta para a coluna, que gera uma reciclagem que permite uma melhor separação com um determinado número de bandejas. Os estágios de equilíbrio são etapas ideais onde as composições atingem o equilíbrio vapor-líquido, repetindo o processo de separação e permitindo uma melhor separação dada a razão de refluxo. Uma coluna com uma alta taxa de refluxo pode ter menos estágios, mas reflui uma grande quantidade de líquido, resultando em uma coluna larga com grande retenção. Por outro lado, uma coluna com baixa razão de refluxo deve ter um grande número de estágios, exigindo assim uma coluna mais alta.

Melhorias gerais

Tanto as destilações descontínuas quanto as contínuas podem ser melhoradas com o uso de uma coluna de fracionamento no topo do frasco de destilação. A coluna melhora a separação ao fornecer uma área de superfície maior para que o vapor e o condensado entrem em contato. Isso ajuda a permanecer em equilíbrio pelo maior tempo possível. A coluna pode até consistir em pequenos subsistemas ('bandejas' ou 'pratos') que contêm uma mistura líquida enriquecida e fervente, todos com seu próprio equilíbrio vapor-líquido.

Existem diferenças entre colunas de fracionamento em escala de laboratório e em escala industrial, mas os princípios são os mesmos. Exemplos de colunas de fracionamento em escala de laboratório (em eficiência crescente) incluem

Procedimentos laboratoriais

As destilações em escala de laboratório são quase exclusivamente executadas como destilações em lote. O dispositivo usado na destilação, às vezes chamado de alambique , consiste no mínimo de um reboiler ou pote no qual o material de origem é aquecido, um condensador no qual o vapor aquecido é resfriado de volta ao estado líquido e um receptor no qual o líquido concentrado ou purificado, chamado de destilado, é coletado. Existem várias técnicas de destilação em escala laboratorial (ver também tipos de destilação ).

Um aparelho de destilação completamente selado pode sofrer pressão interna extrema e variável rapidamente, o que pode fazer com que ele se abra nas juntas. Portanto, algum caminho é geralmente deixado aberto (por exemplo, no frasco receptor) para permitir que a pressão interna se iguale à pressão atmosférica. Alternativamente, uma bomba de vácuo pode ser usada para manter o aparelho a uma pressão inferior à atmosférica. Se as substâncias envolvidas forem sensíveis ao ar ou à umidade, a conexão com a atmosfera pode ser feita através de um ou mais tubos de secagem embalados com materiais que eliminam os componentes indesejados do ar, ou através de borbulhadores que fornecem uma barreira móvel de líquidos. Finalmente, a entrada de componentes de ar indesejados pode ser evitada bombeando um fluxo baixo, mas constante, de gás inerte adequado, como nitrogênio , para dentro do aparelho.

Destilação simples

Esquema de uma configuração de destilação simples.

Na destilação simples, o vapor é imediatamente canalizado para um condensador. Consequentemente, o destilado não é puro, mas sua composição é idêntica à composição dos vapores na temperatura e pressão dadas. Essa concentração segue a lei de Raoult .

Como resultado, a destilação simples é eficaz apenas quando os pontos de ebulição do líquido diferem muito (regra geral é 25 °C) ou ao separar líquidos de sólidos ou óleos não voláteis. Para esses casos, as pressões de vapor dos componentes geralmente são diferentes o suficiente para que o destilado possa ser suficientemente puro para o propósito pretendido.

Um esquema em corte de uma operação de destilação simples é mostrado à direita. O líquido de partida 15 no balão de ebulição 2 é aquecido por uma placa de aquecimento combinada e agitador magnético 13 através de um banho de óleo de silicone (laranja, 14). O vapor escoa por uma pequena coluna Vigreux 3, depois por um condensador Liebig 5, é resfriado por água (azul) que circula pelas portas 6 e 7. O líquido condensado pinga no frasco receptor 8, sentado em um banho de resfriamento (azul, 16). O adaptador 10 tem uma conexão 9 que pode ser encaixada em uma bomba de vácuo. Os componentes são conectados por juntas de vidro fosco .

Destilação fraccionada

Em muitos casos, os pontos de ebulição dos componentes da mistura serão suficientemente próximos para que a lei de Raoult seja levada em consideração. Portanto, a destilação fracionada deve ser usada para separar os componentes por ciclos repetidos de vaporização-condensação dentro de uma coluna de fracionamento empacotada. Essa separação, por destilações sucessivas, também é chamada de retificação.

À medida que a solução a ser purificada é aquecida, seus vapores sobem para a coluna de fracionamento . À medida que sobe, esfria, condensando nas paredes do condensador e nas superfícies do material de embalagem. Aqui, o condensado continua a ser aquecido pelos vapores quentes ascendentes; vaporiza mais uma vez. No entanto, a composição dos vapores frescos é determinada mais uma vez pela lei de Raoult. Cada ciclo de vaporização-condensação (chamado de prato teórico ) produzirá uma solução mais pura do componente mais volátil. Na realidade, cada ciclo a uma dada temperatura não ocorre exatamente na mesma posição na coluna de fracionamento; A placa teórica é, portanto, um conceito e não uma descrição precisa.

Placas mais teóricas levam a melhores separações. Um sistema de destilação de banda giratória usa uma banda giratória de Teflon ou metal para forçar os vapores ascendentes em contato próximo com o condensado descendente, aumentando o número de pratos teóricos.

Destilação a vapor

Como a destilação a vácuo , a destilação a vapor é um método para destilar compostos sensíveis ao calor. A temperatura do vapor é mais fácil de controlar do que a superfície de um elemento de aquecimento e permite uma alta taxa de transferência de calor sem aquecimento a uma temperatura muito alta. Este processo envolve borbulhar vapor através de uma mistura aquecida da matéria-prima. Pela lei de Raoult, parte do composto alvo irá vaporizar (de acordo com sua pressão parcial). A mistura de vapor é resfriada e condensada, geralmente produzindo uma camada de óleo e uma camada de água.

A destilação a vapor de várias ervas aromáticas e flores pode resultar em dois produtos; um óleo essencial , bem como um destilado de ervas aquoso . Os óleos essenciais são frequentemente usados ​​em perfumaria e aromaterapia , enquanto os destilados aquosos têm muitas aplicações em aromaterapia , processamento de alimentos e cuidados com a pele .

O dimetilsulfóxido geralmente ferve a 189  °C. Sob vácuo, destila no receptor a apenas 70  ° C.
Configuração de destilação do triângulo Perkin
  1. Barra agitadora/grânulos anti-colisão
  2. Ainda pote
  3. Coluna de fracionamento
  4. Termômetro/temperatura do ponto de ebulição
  5. torneira de teflon 1
  6. dedo frio
  7. Água de resfriamento
  8. Água de resfriamento em
  9. torneira de teflon 2
  10. Entrada de vácuo/gás
  11. torneira de teflon 3
  12. Ainda receptor

Destilação a vácuo

Alguns compostos têm pontos de ebulição muito altos. Para ferver esses compostos, muitas vezes é melhor diminuir a pressão na qual esses compostos são fervidos em vez de aumentar a temperatura. Uma vez que a pressão é reduzida para a pressão de vapor do composto (na temperatura dada), a ebulição e o restante do processo de destilação podem começar. Esta técnica é chamada de destilação a vácuo e é comumente encontrada no laboratório na forma de evaporador rotativo .

Essa técnica também é muito útil para compostos que fervem além de sua temperatura de decomposição à pressão atmosférica e que, portanto, seriam decompostos por qualquer tentativa de fervê-los sob pressão atmosférica.

Caminho curto e destilação molecular

A destilação molecular é a destilação a vácuo abaixo da pressão de 0,01 torr . 0,01 torr é uma ordem de grandeza acima do alto vácuo , onde os fluidos estão no regime de fluxo molecular livre , ou seja, o caminho livre médio das moléculas é comparável ao tamanho do equipamento. A fase gasosa não exerce mais pressão significativa sobre a substância a ser evaporada e, consequentemente, a taxa de evaporação não depende mais da pressão. Ou seja, porque as suposições de continuum da dinâmica dos fluidos não se aplicam mais, o transporte de massa é governado pela dinâmica molecular e não pela dinâmica dos fluidos. Assim, é necessário um caminho curto entre a superfície quente e a superfície fria, tipicamente suspendendo uma placa quente coberta com um filme de alimentação próximo a uma placa fria com uma linha de visão no meio. A destilação molecular é usada industrialmente para purificação de óleos.

Aparelho de destilação a vácuo de caminho curto com condensador vertical (dedo frio), para minimizar o caminho de destilação;
  1. Panela destilada com barra agitadora/grânulos anti-colisão
  2. Dedo frio – dobrado para direcionar o condensado
  3. Água de resfriamento
  4. água de resfriamento em
  5. Entrada de vácuo/gás
  6. Frasco destilado/destilado.

A destilação de caminho curto é uma técnica de destilação que envolve o destilado viajando a uma curta distância, geralmente apenas alguns centímetros, e normalmente é feita a pressão reduzida. Um exemplo clássico seria uma destilação envolvendo o destilado viajando de um bulbo de vidro para outro, sem a necessidade de um condensador separando as duas câmaras. Esta técnica é frequentemente usada para compostos que são instáveis ​​em altas temperaturas ou para purificar pequenas quantidades de compostos. A vantagem é que a temperatura de aquecimento pode ser consideravelmente menor (a pressão reduzida) do que o ponto de ebulição do líquido à pressão padrão, e o destilado só precisa percorrer uma curta distância antes de condensar. Um caminho curto garante que pouco composto seja perdido nas laterais do aparelho. O aparelho Kugelrohr é um tipo de método de destilação de caminho curto que geralmente contém várias câmaras para coletar frações de destilados.

Destilação a vácuo sensível ao ar

Alguns compostos têm pontos de ebulição altos, além de serem sensíveis ao ar . Um sistema de destilação a vácuo simples como exemplificado acima pode ser usado, em que o vácuo é substituído por um gás inerte após a destilação estar completa. No entanto, este é um sistema menos satisfatório se se deseja coletar frações sob pressão reduzida. Para fazer isso, um adaptador "vaca" ou "porco" pode ser adicionado à extremidade do condensador ou, para melhores resultados ou para compostos muito sensíveis ao ar , pode ser usado um aparelho triangular de Perkin .

O triângulo de Perkin, tem meios através de uma série de torneiras de vidro ou teflon para permitir que as frações sejam isoladas do resto do alambique , sem que o corpo principal da destilação seja removido do vácuo ou da fonte de calor, podendo assim permanecer em um estado de refluxo . Para fazer isso, a amostra é primeiro isolada do vácuo por meio das torneiras, o vácuo sobre a amostra é então substituído por um gás inerte (como nitrogênio ou argônio ) e pode ser tampado e removido. Um recipiente de coleta fresco pode então ser adicionado ao sistema, evacuado e conectado de volta ao sistema de destilação através das torneiras para coletar uma segunda fração e assim por diante, até que todas as frações tenham sido coletadas.

Destilação da zona

A destilação por zona é um processo de destilação em um recipiente longo com fusão parcial da matéria refinada na zona líquida em movimento e condensação do vapor na fase sólida no condensado puxando na área fria. O processo é trabalhado na teoria. Quando o aquecedor de zona está se movendo do topo para o fundo do recipiente, então está se formando um condensado sólido com distribuição irregular de impurezas. Em seguida, a parte mais pura do condensado pode ser extraída como produto. O processo pode ser repetido muitas vezes movendo (sem rotatividade) o condensado recebido para a parte inferior do recipiente no local da matéria refinada. A distribuição irregular de impurezas no condensado (que é a eficiência da purificação) aumenta com o número de iterações. A destilação de zona é o análogo de destilação da recristalização de zona. A distribuição de impurezas no condensado é descrita por equações conhecidas de recristalização por zona – com a substituição do coeficiente de distribuição k de cristalização – pelo fator de separação α de destilação.

Outros tipos

  • O processo de destilação reativa envolve o uso do recipiente de reação como destilador. Nesse processo, o produto geralmente apresenta um ponto de ebulição significativamente mais baixo do que seus reagentes. À medida que o produto é formado a partir dos reagentes, ele é vaporizado e removido da mistura de reação. Esta técnica é um exemplo de um processo contínuo versus um processo em lote; as vantagens incluem menos tempo de inatividade para carregar o vaso de reação com material de partida e menos processamento. A destilação "sobre um reagente" pode ser classificada como uma destilação reativa. É normalmente usado para remover impurezas voláteis da alimentação de distalização. Por exemplo, um pouco de cal pode ser adicionado para remover o dióxido de carbono da água, seguido por uma segunda destilação com um pouco de ácido sulfúrico adicionado para remover vestígios de amônia.
  • A destilação catalítica é o processo pelo qual os reagentes são catalisados ​​enquanto são destilados para separar continuamente os produtos dos reagentes. Este método é usado para ajudar as reações de equilíbrio a atingirem a conclusão.
  • A pervaporação é um método para a separação de misturas de líquidos por vaporização parcial através de uma membrana não porosa .
  • A destilação extrativa é definida como a destilação na presença de um componente miscível, de alto ponto de ebulição e relativamente não volátil, o solvente, que não forma azeótropo com os outros componentes da mistura.
  • A evaporação instantânea (ou evaporação parcial) é a vaporização parcial que ocorre quando um fluxo de líquido saturado sofre uma redução na pressão ao passar por uma válvula de estrangulamento ou outro dispositivo de estrangulamento. Este processo é uma das operações unitárias mais simples, sendo equivalente a uma destilação com apenas um estágio de equilíbrio.
  • A codestilação é a destilação que é realizada em misturas nas quais os dois compostos não são miscíveis. No laboratório, o aparelho Dean-Stark é utilizado para esse fim para remover a água dos produtos de síntese. O aparelho de Bleidner é outro exemplo com dois solventes em refluxo.
  • A destilação por membrana é um tipo de destilação em que os vapores de uma mistura a ser separada são passados ​​através de uma membrana, que permeia seletivamente um componente da mistura. A diferença de pressão de vapor é a força motriz. Tem aplicações potenciais na dessalinização da água do mar e na remoção de componentes orgânicos e inorgânicos.

O processo unitário de evaporação também pode ser chamado de "destilação":

  • Na evaporação rotativa , um aparelho de destilação a vácuo é usado para remover solventes a granel de uma amostra. Normalmente, o vácuo é gerado por um aspirador de água ou uma bomba de membrana .
  • Em um aparelho Kugelrohr, um aparelho de destilação de caminho curto é normalmente usado (geralmente em combinação com um vácuo (alto)) para destilar compostos de alto ponto de ebulição (> 300 ° C). O aparelho consiste em um forno no qual é colocado o composto a ser destilado, uma porção receptora que fica fora do forno e um meio de rotação da amostra. O vácuo é normalmente gerado usando uma bomba de alto vácuo.

Outros usos:

  • A destilação seca ou destilação destrutiva , apesar do nome, não é verdadeiramente destilação, mas sim uma reação química conhecida como pirólise em que substâncias sólidas são aquecidas em atmosfera inerte ou redutora e quaisquer frações voláteis, contendo líquidos de alto ponto de ebulição e produtos de pirólise, são recolhidos. A destilação destrutiva da madeira para dar metanol é a raiz do seu nome comum – álcool de madeira .
  • A destilação por congelamento é um método análogo de purificação usando congelamento em vez de evaporação. Não é uma verdadeira destilação, mas uma recristalização onde o produto é o licor mãe , e não produz produtos equivalentes à destilação. Este processo é utilizado na produção de cerveja gelada e vinho gelado para aumentar o teor de etanol e açúcar , respectivamente. Também é usado para produzir maçã . Ao contrário da destilação, a destilação por congelamento concentra os congêneres venenosos em vez de removê-los; Como resultado, muitos países proíbem tal applejack como medida de saúde. Além disso, a destilação por evaporação pode separá-los, pois possuem pontos de ebulição diferentes.
  • Destilação por filtração: No início da alquimia e química, também conhecida como filosofia natural, uma forma de "destilação" por filtração capilar era conhecida como uma forma de destilação na época. Neste, uma série de xícaras ou tigelas foram colocadas em um suporte escalonado com um "pavio" de algodão ou material semelhante a feltro, que havia sido molhado com água ou um líquido claro a cada passo pingando através do pano molhado por ação capilar em etapas sucessivas, criando uma "purificação" do líquido, deixando materiais sólidos para trás nas tigelas superiores e purificando o produto seguinte por ação capilar através do pano umedecido. Isso foi chamado de "destilação" por filtração por aqueles que usam o método.

Processo azeotrópico

As interações entre os componentes da solução criam propriedades únicas para a solução, pois a maioria dos processos envolve misturas não ideais, onde a lei de Raoult não se aplica. Tais interações podem resultar em um azeótropo de ebulição constante que se comporta como se fosse um composto puro (isto é, ferve a uma única temperatura em vez de uma faixa). Em um azeótropo, a solução contém o componente fornecido na mesma proporção que o vapor, de modo que a evaporação não altera a pureza e a destilação não afeta a separação. Por exemplo, álcool etílico e água formam um azeótropo de 95,6% a 78,1°C.

Se o azeótropo não for considerado suficientemente puro para uso, existem algumas técnicas para quebrar o azeótropo para dar um destilado puro. Este conjunto de técnicas é conhecido como destilação azeotrópica . Algumas técnicas conseguem isso "saltando" sobre a composição azeotrópica (adicionando outro componente para criar um novo azeótropo ou variando a pressão). Outros trabalham removendo ou sequestrando química ou fisicamente a impureza. Por exemplo, para purificar o etanol além de 95%, um agente secante (ou dessecante , como o carbonato de potássio ) pode ser adicionado para converter a água solúvel em água insolúvel de cristalização . As peneiras moleculares também são frequentemente usadas para esse fim.

Líquidos imiscíveis, como água e tolueno , formam facilmente azeótropos. Comumente, esses azeótropos são chamados de azeótropos de baixo ponto de ebulição porque o ponto de ebulição do azeótropo é menor que o ponto de ebulição de qualquer componente puro. A temperatura e a composição do azeótropo são facilmente previstas a partir da pressão de vapor dos componentes puros, sem o uso da lei de Raoult. O azeótropo é facilmente quebrado em uma configuração de destilação usando um separador líquido-líquido (um decantador) para separar as duas camadas líquidas que são condensadas no topo. Apenas uma das duas camadas líquidas é refluxada para a instalação de destilação.

Também existem azeótropos de alto ponto de ebulição, como uma mistura de 20% em peso de ácido clorídrico em água. Como está implícito no nome, o ponto de ebulição do azeótropo é maior que o ponto de ebulição de qualquer componente puro.

Para quebrar destilações azeotrópicas e cruzar os limites de destilação, como no Problema DeRosier, é necessário aumentar a composição da chave de luz no destilado.

Quebrando um azeótropo com manipulação de pressão unidirecional

Os pontos de ebulição dos componentes em um azeótropo se sobrepõem para formar uma banda. Ao expor um azeótropo a um vácuo ou pressão positiva, é possível desviar o ponto de ebulição de um componente do outro explorando as diferentes curvas de pressão de vapor de cada um; as curvas podem se sobrepor no ponto azeotrópico, mas é improvável que permaneçam idênticas ao longo do eixo de pressão para qualquer lado do ponto azeotrópico. Quando o viés é grande o suficiente, os dois pontos de ebulição não se sobrepõem e a banda azeotrópica desaparece.

Este método pode eliminar a necessidade de adicionar outros produtos químicos a uma destilação, mas tem duas desvantagens potenciais.

Sob pressão negativa, é necessária energia para uma fonte de vácuo e os pontos de ebulição reduzidos dos destilados exigem que o condensador funcione mais frio para evitar que os vapores do destilado sejam perdidos para a fonte de vácuo. O aumento das demandas de resfriamento geralmente exigirá energia adicional e possivelmente novos equipamentos ou uma troca de refrigerante.

Alternativamente, se forem necessárias pressões positivas, vidraria padrão não pode ser usada, energia deve ser usada para pressurização e há uma chance maior de ocorrerem reações colaterais na destilação, como decomposição, devido às temperaturas mais altas necessárias para efetuar a ebulição.

Uma destilação unidirecional dependerá de uma mudança de pressão em uma direção, positiva ou negativa.

Destilação por oscilação de pressão

A destilação por oscilação de pressão é essencialmente a mesma que a destilação unidirecional usada para quebrar misturas azeotrópicas, mas aqui podem ser empregadas pressões positivas e negativas .

Isso melhora a seletividade da destilação e permite que um químico otimize a destilação evitando extremos de pressão e temperatura que desperdiçam energia. Isto é particularmente importante em aplicações comerciais.

Um exemplo da aplicação da destilação por oscilação de pressão é durante a purificação industrial do acetato de etila após sua síntese catalítica a partir do etanol .

Processo industrial

Torres de destilação industriais típicas

As aplicações de destilação industrial em larga escala incluem destilação fracionada em lote e contínua, vácuo, azeotrópica, extrativa e destilação a vapor. As aplicações industriais mais amplamente utilizadas de destilação fracionada contínua em estado estacionário são em refinarias de petróleo , plantas petroquímicas e químicas e plantas de processamento de gás natural .

Para controlar e otimizar essa destilação industrial, é estabelecido um método laboratorial padronizado, ASTM D86. Este método de teste se estende à destilação atmosférica de produtos petrolíferos usando uma unidade de destilação em lote de laboratório para determinar quantitativamente as características da faixa de ebulição dos produtos petrolíferos.

A destilação industrial é normalmente realizada em grandes colunas cilíndricas verticais conhecidas como torres de destilação ou colunas de destilação com diâmetros variando de cerca de 0,65 a 16 metros (2 pés 2 pol a 52 pés 6 pol) e alturas variando de cerca de 6 a 90 metros (20 a 16 metros). 295 pés) ou mais. Quando a alimentação do processo tem uma composição diversa, como na destilação de petróleo bruto , as saídas de líquido em intervalos na coluna permitem a retirada de diferentes frações ou produtos com diferentes pontos de ebulição ou faixas de ebulição. 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 do fundo da coluna e são frequentemente chamados de fundos.

Diagrama de uma torre de destilação industrial típica

As torres industriais utilizam o refluxo para conseguir uma separação mais completa dos produtos. Refluxo refere-se à porção do produto líquido de topo condensado de uma torre de destilação ou fracionamento que é devolvida à parte superior da torre, conforme mostrado no diagrama esquemático de uma torre de destilação industrial típica de grande escala. Dentro da torre, o líquido de refluxo descendente fornece resfriamento e condensação dos vapores ascendentes, aumentando assim a eficiência da torre de destilação. Quanto mais refluxo for fornecido para um determinado número de pratos teóricos , melhor será a separação da torre de materiais de baixo ponto de ebulição de materiais de alto ponto de ebulição. Alternativamente, quanto mais refluxo for fornecido para uma determinada separação desejada, menor será o número de pratos teóricos necessários. Os engenheiros químicos devem escolher qual combinação de taxa de refluxo e número de placas é economicamente e fisicamente viável para os produtos purificados na coluna de destilação.

Essas torres de fracionamento industriais também são usadas na separação de ar criogênico , produzindo oxigênio líquido , nitrogênio líquido e argônio de alta pureza . A destilação de clorosilanos também permite a produção de silício de alta pureza para uso como semicondutor .

Seção de uma torre de destilação industrial mostrando detalhes de bandejas com tampas de bolhas

O projeto e a operação de uma torre de destilação dependem da alimentação e dos produtos desejados. Dada uma alimentação de componentes binários simples, métodos analíticos como o método de McCabe-Thiele ou a equação de Fenske podem ser usados. Para uma alimentação multicomponente, os modelos de simulação são usados ​​tanto para projeto quanto para operação. Além disso, as eficiências dos dispositivos de contato vapor-líquido (referidos como "placas" ou "bandejas") usados ​​em torres de destilação são tipicamente menores do que a de um estágio de equilíbrio teórico 100% eficiente . Portanto, uma torre de destilação precisa de mais bandejas do que o número de estágios teóricos de equilíbrio vapor-líquido. Uma variedade de modelos foram postulados para estimar a eficiência das bandejas.

Em usos industriais modernos, um material de embalagem é usado na coluna em vez de bandejas quando são necessárias baixas quedas de pressão na coluna. Outros fatores que favorecem o empacotamento são: sistemas de vácuo, colunas de menor diâmetro, sistemas corrosivos, sistemas propensos à formação de espuma, sistemas que requerem baixa retenção de líquido e destilação em lote. Por outro lado, os fatores que favorecem as colunas de placas são: presença de sólidos na alimentação, altas taxas de líquido, grandes diâmetros de coluna, colunas complexas, colunas com ampla variação de composição de alimentação, colunas com reação química, colunas de absorção, colunas limitadas pela tolerância de peso de fundação, baixa taxa de líquido, grande taxa de turn-down e aqueles processos sujeitos a surtos de processo.

Coluna de destilação a vácuo industrial de grande escala

Este material de engaxetamento pode ser um engaxetamento com despejo aleatório (25–76 milímetros (1–3 pol) de largura), como anéis Raschig ou chapas metálicas estruturadas . 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 vapor-líquido, a curva de equilíbrio vapor-líquido em uma coluna recheada é contínua. No entanto, ao modelar colunas empacotadas, é útil calcular uma série de "etapas teóricas" para denotar a eficiência de separação da coluna empacotada em relação a bandejas mais tradicionais. Embalagens de formatos diferentes têm áreas de superfície diferentes e espaços vazios entre as embalagens. Ambos os fatores afetam o desempenho da embalagem.

Outro fator além do formato do empacotamento e da área de superfície que afeta o desempenho do empacotamento aleatório ou estruturado é a distribuição de líquido e vapor que entra no leito empacotado. O número de estágios teóricos necessários para fazer uma determinada separação é calculado usando uma proporção específica de vapor para líquido. Se o líquido e o vapor não estiverem distribuídos uniformemente pela área superficial da torre ao entrar no leito empacotado, a relação líquido-vapor não será correta no leito empacotado e a separação necessária não será alcançada. A embalagem parecerá não estar funcionando corretamente. A altura equivalente a um prato teórico (HETP) será maior do que o esperado. O problema não é o empacotamento em si, mas a má distribuição dos fluidos que entram no leito empacotado. A má distribuição do líquido é mais frequentemente o problema do que o vapor. O projeto dos distribuidores de líquido usados ​​para introduzir a alimentação e o refluxo em um leito empacotado é fundamental para fazer com que o empacotamento tenha a máxima eficiência. Métodos de avaliação da eficácia de um distribuidor de líquido para distribuir uniformemente o líquido que entra em um leito empacotado podem ser encontrados nas referências. Um trabalho considerável foi feito neste tópico pela Fractionation Research, Inc. (comumente conhecido como FRI).

Destilação multi-efeito

O objetivo da destilação multi-efeito é aumentar a eficiência energética do processo, para uso em dessalinização ou, em alguns casos, uma etapa na produção de água ultrapura . O número de efeitos é inversamente proporcional ao valor de kW·h/m 3 de água recuperada e refere-se ao volume de água recuperado por unidade de energia em comparação com a destilação de efeito único. Um efeito é de aproximadamente 636 kW·h/m 3 .

Existem muitos outros tipos de processos de destilação de múltiplos efeitos, incluindo um chamado simplesmente de destilação de múltiplos efeitos (MED), no qual são empregadas várias câmaras, com trocadores de calor intermediários.

No processamento de alimentos

Bebidas

Materiais vegetais contendo carboidratos são deixados fermentar, produzindo uma solução diluída de etanol no processo. Destilados como uísque e rum são preparados destilando essas soluções diluídas de etanol. Outros componentes além do etanol, incluindo água, ésteres e outros álcoois, são coletados no condensado, responsáveis ​​pelo sabor da bebida. Algumas dessas bebidas são então armazenadas em barris ou outros recipientes para adquirir mais compostos de sabor e sabores característicos.

Galeria

Retort-in-operation-early-chemistry.png A química em seus primórdios usava retortas como equipamento de laboratório exclusivamente para processos de destilação.
Destilação de tolueno seco e sem oxigênio.jpg Uma configuração simples para destilar tolueno seco e sem oxigênio .
Coluna de Vácuo.png Diagrama de uma coluna de destilação a vácuo em escala industrial como comumente usada em refinarias de petróleo
Rotavapor.jpg Um evaporador rotativo é capaz de destilar solventes mais rapidamente em temperaturas mais baixas através do uso de vácuo .
Destilação em semi-microescala.jpg Destilação usando aparelhos de semi-microescala. O design sem juntas elimina a necessidade de encaixar as peças. O frasco em forma de pêra permite que a última gota de resíduo seja removida, em comparação com um frasco de fundo redondo de tamanho semelhante . O pequeno volume de retenção evita perdas. Um "porco" é usado para canalizar os vários destilados em três frascos de recepção. Se necessário, a destilação pode ser realizada sob vácuo usando o adaptador de vácuo no pig.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos