DISTILAREA I RECTIFICAREA

DISTILAREA I RECTIFICAREAPrin distilare se nelege, n sens larg, totalitatea modalitilor de separare a componentelor unui amestec lichid omogen bazate pe diferena dintre temperaturile de fierbere ale constituenilor, temperaturi crora le corespund i presiuni de vapori diferite. La temperatura de fierbere a amestecului, componentele mai volatile (cu temperaturi de fierbere mai joase) vor avea presiuni de vapori mai mari i, deci, se vor gsi n faza de vapori n concentraii mai mari dect n faza lichid din care au provenit.Vaporii astfel mbogii, prin condensare formeaz distilatul, iar lichidul, coninnd (preponderent) componentele greu volatile - reziduul. Distilarea este o operaie dubl, de fierbere parial a amestecului i de condensare a vaporilor formai.n scopul atingerii unor separri mai avansate, succesiunea fierbere - condensare se repet n utilaje de contactare n trepte sau diferenial, realizndu-se astfel operaia de rectificare.Distilarea se realizeaz industrial ntr-o mare varietate de moduri de operare: distilarea simpl, distilarea fracionat, antrenarea cu vapori, rectificarea, distilarea azeotrop, distilarea extractiv, distilarea molecular etc.Aplicaii. Distilarea i rectificarea i gsesc aplicaii n industria fermentativ pentru obinerea de buturi alcoolice naturale tari i a spirtului. Prin distilare simpl se mai lucreaz n industria buturilor, n timp ce rectificarea i fracionarea se aplic n industria spirtului Terminologia ntrebuinat uzual nu corespunde terminologiei operaiilor tip. n industria spirtului i a buturilor prin distilare se nelege o rectificare, iar prin "rafinare" o rectificare combinat cu o fracionare.Produsele supuse operaiilor de distilare, rectificare i fracionare din industria fermentativ sunt amestecuri cu mai multe componente, componentele de calcul fiind alcoolul etilic i apa. Att alcoolul etilic cu apa, ct i alte componente cu apa, dau amestecuri homoazeotrope i heteroazeotrope. Datorit acestei caracteristici, prin metodele obinuite de distilare, rectificare i fracionare, n industria spirtului nu se poate obine alcool etilic absolut, ci un amestec cu concentraia maxim a amestecului azeotrop (95,57% alcool). Pentru obinerea unei concentraii mai mari, sau a alcoolului absolut, trebuie s se aplice metode speciale (distilare azeotrop cu amestec ternar: benzen - alcool etilic - ap sau eliminarea apei sub substane higroscopice). n industria uleiului, distilarea sub depresiune este utilizat pentru recuperarea solventului (benzinei de extracie) din miscela cu 25% ulei, cu obinerea uleiului brut de extracie.

Exprimarea compoziiei fazelor n cazul sistemelor binare. n operaiile de distilare i rectificare, fluxurile de materiale se exprim, de regul, n uniti de cantitate de substan, kmoli, iar compoziia amestecurilor n special n fracii molare, pentru lichid notat cu x, iar pentru vapori cu y. Alte posibiliti de exprimare a compoziiei fazelor n sistemele binare lichid - vapori sunt date n tabelul 21.1.Tabelul 21.1Exprimarea compoziiei fazelor n cazul sistemelor binare; ConcentraiaSimbolul concentraiei componentului

In faza lichidn faza gazoas sau de vapori

Fria molar kmoli A/ kmoli (A+B)xy

Fracia de mas k&A /kg (A+B): - :/ ' .-" .; ' :-, . ' ' : ':"'.. ,.- :; .: y ':

Concentraie (fracie) molar relativ kmoli A/kmoli BXm uij :

Concentraie (fracie) de mas relativ k9 a/kg BXY

Concentraie molar volumic km'' A/m3(A + B)fIT) Cxf!8"ljC

Concentraie de mas volumic kg A/m3(A + B)cx

Tabelul 21.2 conine concentraii exprimate n procente de mas i procente molare pentru sistemul binar alcool etilic - ap.Tabelul 21.2 Corespondena ntre concentraii exprimate ca procente de mas i procente molare, pentru sistemul alcool etilic - ap% mas% mol% mas%moi% mas% mol

alcool etilicalcool etilicalcool etilicalcool etilicalcool etilicalcool etilic

123456

1001007250,164423,95

9997,517148,924020,68

9895,087047,743517,41

9792,706946,553014,35

9690,386845,412511,53

9588,136744,27208,92

9485,976643,17156,46

9383,8765 6442,09 41,0210 94,16 3,725

9281,83

9179,826340,0083,29

.........90 _77,886238,957 J2,86

8975,996137,9762,43

8874,1760 36,9852,01

8772,365936,0241,61

8670,635835,0931,19

8568,925734,1620,79

8467,275633,2410,39

8365,645532,340,90,35

8264,055431,470,80,31

8162,525330,610,70,27

8061,025229,800,60,23

7959,555128,930,50,19

7858,115028,120,40,16

7756,714927,320,30,12

7655,344826,530,20,08

7554,004725,750,10,04

7452,684625,000,050,02

7351,394524,25L '010,004

Relaiile uzuale pentru convertirea concentraiei fazei lichide sunt prezentate n tabelul 21.3. Pentru faza gazoas (de vapori) sunt valabile aceleai relaii, dar substituind notaiile x cu y, x cu Y ,Cycu Cv.i Tabelul 21.3Relaii de transformare a concentraiei n faz lichid

21.1. ECHILIBRUL LICHID-VAPORI21.1.1. Amestecuri binare n procesul de distilare i de rectificare, separarea i condiiile separrii depind de relaiile dintre faza lichid i faza-vapori a sistemului caracterizat prin echilibrul lichid - vapori. Echilibrul lichid - vapori poate fi descris de o serie de legi, ecuaii de echilibru i diagrame de faz (tabelele 21.4 i 21.5).Din punct de vedere al aciunii forelor intermoleculare i al solubilitii componentelor, amestecurile care intervin n separrile prin distilare pot fi: ideale i neideale, total miscibile, parial miscibile i nemiscibile.Tabelul 21.4 Legi de baz i ecuaii de echilibru n operaia de distilare Tabelul 21.4 conine legile de baz i ecuaiile de echilibru pentru amestecurile ideale. Echilibrul lichid - vapori n amestecuri binare poate fi descris i cu ajutorul diagramelor de faz, cu ecuaiile generale 21.17 i 21.22 (tabelul 21.5). Diagrame de faz n echilibrul lichid - vaporiTabelul 21.5. '" . >>< 1 (lgy>0) i negative cu yx< (21.32)O);KYix.Pentru a se putea realiza separarea, n faza vapori, a unui component din amestec este necesar ca valoarea constantei de echilibru a componentului precum i valoarea coeficientului de rectificare n comparaie cu celelalte componente din amestec s fie supraunitare.Amestecurile complexe sunt formate dintr-un numr relativ mare de componente care nu sunt definite nici ca natur, nici ca participare procentual. Studiul condiiilor de echilibru pentru aceste amestecuri se realizeaz innd seama de natura componentelor i de comportarea lor.Tabelul 21.6 Ecuaii de echilibru n operaia de distilare pentru amestecuri neideale

uoar), iar lichidul rmas n fierbtor (blazul de distilare) constitue reziduul sau fraciunea grea. Dac n timpul operrii se colecteaz mai multe fraciuni de distilat, operaia se numete distilare simpl fracionat.21.2.1. Distilarea simpl discontinu (DSD)Amestecuri binare. Datele iniiale, mrimile de calcul i breviarul calcului de proiectare n DSD sunt date n tabelul 21.11.

Fig. 21.8. Elemente pentru calculul distilrii simple discontinue - rezolvarea grafic a ecutiei 21.33.Tabelul 21.11 Elemente de calcul pentru distilarea simpl discontinu a amestecurilor binare

Amestecuri multiple. Ca mod de operare, distilarea simpl discontinu a amestecurilor multiple este identic separrii amestecurilor binare. Cnd se dispune de un volum redus de informaii privind compoziia distilatului (de exemplu concentraia unuia dintre componente) se poate utiliza metoda de analiz prezentat n tabelul 21.12.

-f:: >/-;Tabelul 21.12 Ecuaii de calcul pentru DSD a amestecurilor multipleEcuaii de calcul pentru DCMrimi de calculEcuaii de calculi

Varianta A

Lf- cantitatea final de amestec rmas n blaz,Ecuaia DSC:

molLi - cantitatea iniial de amestec n blaz, mole '-lnL'- dX(21.44)

1 - e L, ' t \ x, - x ' *> (x-y)+'------

e - grad molar de distilaree

La - debitul de amestec, cu compoziie x,, mol/se = %.(21.45)

D - debitul de vapori (distilat), mol/s

Integrarea ecuaiei (21.44) se poate face grafic sau

analitic.

Cazuri limit:

1 La=0, deci = oecuaia (21.33) de la DSD

e La=D , deci e = 0Dx _ | dxLi l y - x,(21.46)

Prin rezolvare grafic (ecuaia 21.46) se poate

obine durata operrii pentru acest caz, dac se

cunoate x, i Xf (concentraia iniial i final a

lichidului din blaz)

Varianta B

Debitul de distilat, mol/sLa=D+Lf(21.47)

pentru /.a=1 molEcuaia (21.49) se rezolv punnd condiia deLex,=DxD+Lfxf(21.48)

echilibru ntre y i x. Se aplic metoda aproxima-D= Xi~X'yo-xf(21.49)

iilor succesive

21.3. DISTILAREA N ECHILIBRUPrincipiul metodei const n va-porizarea parial a lichidului supus separrii, vaporii formai rmnnd tot timpul n contact, deci n echilibru, cu lichidul din care au provenit. Amestecul lichid este nclzit i vaporizat ntr-un schimbtor de cldur tubular, iar sistemul lichid - vapori rezultat este dirijat ntr-un separator. Se mai numete distilare integral sau distilare flash.Distilarea integral se utilizeaz ca operaie continu n instalaia de distilare a miscelei.