8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

1/13

PROCESE TEHNOLOGICE ȘI PROTECȚIA MEDIULUI 

Tema 3  . Distilarea și extracția. 

Obiectivele cursului:Cursul are ca obiectiv discutarea următoarelor subiecte:- operația unitară de concentrare a amestecurilor lichide prin distilare

- echilibrul lichid –  vapori pentru amestecuri ideale, azeotrope și nemiscibile- legea lui Raoult- diagrame de presiune, de fierbere și de echilibru lichid-vapori

- rectificarea continuă a amestecurilor binare –  coloane de rectificare- alte tipuri de procese de distilare

- operația de concentrare a amestecurilor lichide prin extracție 

3.1. Distilarea [Bratu, p. 65-164] Distilarea   reprezintă operația de separare a componenților unui amestec omogen de

lichide, pe baza diferenței de volatilitate dintre componente. Distilarea este o operație dublă,compusă din fierberea  parțială a amestecului și condensarea vaporilor.

La operația de distilare cu rectificare această pereche de operații este repetată de maimulte ori. Separarea este cu atât mai ușoară și mai completă cu cât diferența dintrevolatilitățile componenților este mai mare, sau cu cât raportul dintre valorile volatilitaților –  numit volatilitate relativă  –  este mai depărtat de unitate. 

Separarea și condițiile pentru realizarea ei depind, deci, de relațiile dintre proprietățilefazei lichide și fazei de vapori ale amestecului, adică de echilibrul lichid  –  vapori   alamestecului distilat.

Distilarea se aplică în industrie și în laborator în mai multe variante: - distilarea simplă - distilarea fracționată - antrenarea cu vapori- rectificarea- distilarea azeotropă - distilarea extractivă - distilarea adsorbtivă - distilarea moleculară. Dintre numeroasele aplicații ale distilării, în variantele enumerate mai sus, putem

menționa: obținerea fracțiunilor petroliere din țiței, separarea componenților din amestecurileorganice, separarea aerului (după lichefiere) în oxigen și azot, concentrarea acidului sulfuricetc.

3.1.1. Echilibrul lichid –  vaporiUn li chid pur , format dintr-o singură substanță, fierbe la temperatura la care presiunea

de vapori a substanței este egală cu presiunea la care se face fierberea. Temperatura rămâneneschimbată  în timpul fierberii dacă presiunea este menținută constantă; compozițial ic hidului și cea a vaporilor sunt identice și nu variază în timpul fierberii. 

Într-un lichid format din mai multe substanțe  (cu mai mulți componenți) fierbereaîncepe când suma presiunilor parțiale ale componenților este egală cu presiunea la care se facefierberea. Temperatura se schimbă (crește)  în timpul fierberii (la presiune constantă).

Compoziția lichidului este diferită de cea a vaporilor  (cu excepția compozițiilor azeotrope),

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

2/13

2

vaporii find mai bogați în componentul (sau componenții) mai volatili. Compoziția lichiduluiși compoziția vaporilor variază în timp, îmbogățindu-se în componenții mai greu volatili. 

 Separările prin distilare se bazează pe diferența de compoziție dintre faza lichidă și faza de vapori în timpul distilării unui amestec lichid. 

3.1.1.1. Amestecur i ideale; legea lu i RaoultAmestecurile ideale sunt considerate ca fiind acele amestecuri lichide pentru care se

respectă legea lu i Raoul t :  presiunea parțială a unui component dintr -un amestec omogende lichide este egală cu produsul dintre presiunea de vapori a lichidului pur (latemperatura de fierbere a amestecului) și fracția molară a componentului respectiv înamestec :

=    ∙   (1) 

unde:  pi = presiunea parțială a componentului i; P i  = presiunea de vapori a substanței i  în stare pură, la temperatura de fierbere a

amestecului; xi = fracția molară a componentului i în amestec.

Compoziția vaporilor ( y), ca fracție molară yi, se obține cu ajutorul legii lu i Dalton , înfuncție de presiunea parțială pi și presiunea totală p:

=

  (2) 

Din ecuațiile (1) și (2) rezultă: 

=

 ∙   (3) 

ce reprezintă relația dintre compoziția vaporilor (fracția molară  yi) și compoziția lichidului(fracția molară xi), la echilibru, într-un amestec ideal.

Pentru un amestec binar ideal, format dintr-un component mai volatil 1 și uncomponent mai greu volatil 2:

1 = 1 ∙ 1  (4) 2 = 2 ∙ 2  (5) 

Deoarece într-un amestec binar x1 + x2 = 1 și p1 + p2 = p (unde p = presiunea totală, lacare are loc fierberea amestecului), prin adunarea ecuațiilor (4) și (5) se obține: 

= 11 + 21 − 1  (6) de unde:

1 = − 2

1 − 2  (7) 

care dă compoziția lichidului ce fierbe la presiunea p.Compoziția vaporilor amestecului binar rezultă din ecuațiile (2) și (7): 

1 =1

=

1

  ∙

− 2

1 − 2  (8) 

iar 2 = 1 − 1.  (9)

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

3/13

3

3.1.1.2. Volatilitate; volatilitate relativă Volati li tatea unui component   dintr-un amestec poate fi calculată ca raport dintre

 presiunea lui parțială, pi, și fracția lui molară în amestec, xi.Volatilitatea unei substanțe pure  ( xi  = 1 și  pi  =  Pi) este, deci, egală cu  P i. De

asemenea, pentru amestecur il e ideale , volatilitatea componenților este egală cu presiunea de

vapori a substanței pure:

=  ∙

=    (10) 

Volatilitatea relativă α  este raportul dintre volatilitățile a doi componenți  dintr-unamestec. Pentru amestecuri ideale, volatilitatea relativă a doi componenți este egală curaportul dintre presiunile de vapori ale componenților. Pentru amestecuri binare ideale: 

=1

2=

1

2∙

2

1  (11) 

Din ecuația (8) se obține pentru cei doi componenți ai unui amestec binar:

∙ 1 = 1 ∙ 1  (12)  ∙ 2 = 2 ∙ 2  (13) 

Prin împărțire rezultă: 1

2=

1 ∙ 1

2 ∙ 2  (14) 

Pentru un amestec binar y2 = 1 –  y1 și x2 = 1 –  x1, deci ecuația (14) devine: 

1

1 − 1

=  ∙1

1 − 1

  (15) 

de unde:

1 = ∙ 1

1 + ( − 1)1  (16) 

Această ecuație este cunoscută ca ecuația lui Fenske.

3.1.2. Diagrame de echilibru pentru amestecuri ideale3.1.2.1. Diagrama presiun il orÎn figura 1 este prezentată variația presiunilor parțiale  p1, p2 și a presiunii totale  p, în

funcție de concentrația  x1, pentru un amestec binar ideal, la temperatură constantă. Variația presiunii parțiale p1 este reprezentată –  în conformitate cu legea lui Raoult, ecuația (1) –  de o

dreaptă ce trece prin originea axelor de coordonate și prin punctul  p1  = P 1  pentru  x1  = 1.Variația presiunii  p2 este, de asemenea, reprezentată de o dreaptă corespunzând ecuației (1)care trece prin punctul p2 = P 2 pentru x2 = 1 și p2 = 0 pentru x2 = 0 ( x1= 1).

Variația presiunii totale p este reprezentată de dreapta care unește p = P 2 pentru x1= 0cu punctul p = P 1 pentru x1 = 1.

Compoziția amestecului care va fierbe la temperatura t   la o presiune oarecare  p  segăsește determinând punctul de pe abscisă care corespunde intersecției dintre valoarea de peordonată  p și dreapta ce reprezintă presiunea totală. 

3.1.2.2. Diagrama de fierbereLa substanțele pure, temperatura de fierbere la o anumită presiune este identică cu

temperatura de condensare la aceeași presiune. La amestecurile   formate din mai mulțicomponenți, vaporizarea lichidului și condensarea vaporilor variază într -un interval detemperaturi; temperatur a de f ierbere  este considerată temperatura la care începe f ierberea  

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

4/13

4

(apare prima bulă de vapori) sau când se termină condensarea  (întreaga cantitate de vapori afost condensată), iar temperatura de condensare  este temperatura la care se termină fierberea (întreaga cantitate de lichid a fost vaporizată) sau la care începe condensarea   (apare prima

 picătură de condensat). 

Fig. 1. Diagrama presiunilor pentru unamestec binar ideal.

Fig. 2. Diagrama de fierbere pentru unamestec binar ideal.

Diagrama fazelor unui amestec lichid binar ideal (Fig. 3), numită diagramă defierbere , arată variația temperaturii de fierbere în funcție de compoziția  x  a lichidului, șivariația temperaturii de condensare în funcție de compoziția y a vaporilor.

Curbele variază între temperaturile de fierbere t 1 și t 2 ale substanțelor pure. În figura 3,deoarece t 1  are valoare mai scăzută decât t 2, putem trage concluzia că primul compus(compusul 1) este mai volatil. Punctele de pe curbele lichidului și vaporilor reprezintă stări deechilibru la fierbere, respectiv condensare. Cele două curbe împart diagrama în trei regiuni:

a)  regiunea de sub curba li chidului   (denumită și curbă de fierbere), reprezentândfaza lichidă (lichidul cald, care nu a ajuns la temperatura de fierbere); 

 b)  regiunea de deasupra curbei vaporilor   (denumită și curbă de condensare),reprezentând faza vaporilor (în stare supraîncălzită); 

c)  regiunea dintre curbe, reprezentând faza mixtă (amestec de vapori și lichid). Echilibrul termodinamic lichid-vapori corespunde pe diagrama de fierbere la două

 puncte, de coordonate t,x  și t,y, situate pe cele două curbe și pe aceeași dreaptă orizontală

(aceeași temperatură). Încălzind un amestec binar cu concentrația x'  a componentului 1 în faza lichidă (Fig. 3)și având temperatura t 0  (punctul A), lichidul trece prin stările dintre punctele A  și B  (semodifică doar temperatura, nu și concentrația  x' ). În punctul B lichidul a atins temperatura defierbere t'  (punctul B se află pe curba de fierbere) și începe să emită vapori cu concentrația y' ,a căror stare corespunde punctului C de pe curba vaporilor. Se obser vă că y'  are valoare maimare decât  x'   (pentru amestecur i le ideale, y > x întotdeauna ), deci vaporii emiși sunt mai

 bogați în compenentul 1 (concentrația componentului 1 în vapori este mai mare decât aaceluiași component în lichidul care a emis vaporii). Ca urmare, lichidul pierde mai ușorcompenentul volatil (componentul 1) și, în timpul fierberii, starea lui urmează curba defierbere între punctele B și D. În acest timp, starea vaporilor rezultați din lichidul din ce în

mai sărac în componentul volatil 1  urmează curba vaporilor de la C  la E. În punctul E concentrația vaporilor,  y'' , este egală cu concentrația inițială  x' , ceea ce arată că întreaga

+

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

5/13

5

cantitate de lichid a fost vaporizată. Dacă se continuă încălzirea, vaporii se supraîncălzesc șistarea lor este descrisă de dreapta EF (se modifică din nou doar temperatura, nu și compozițialor).

Fig. 3. Explicarea diagramei de fierbere pentru un amestec binar ideal.

3.1.2.3. Di agrama de echi li bruDiagrama de echilibru redă relația dintre compoziția vaporilor  y1  și compoziția

lichidului,  x1. Pentru amestecuri ideale, curba redă grafic ecuația Fenske  (vezi paragraful3.1.1.2. Volatilitate; volatilitate relativă). Pentru amestecuri ideale întreaga curbă se găseștedeasupra diagonalei diagramei, iar forma curbei depinde de volatilitatea relativă a celor doicomponenți ai amestecului (cu cât volatilitatea relativă este mai mare, cu atât curba este mai

 bombată).

Fig. 4. Diagrama de echilibru pentru un amestec binar ideal.

3.1.3. Amestecuri neidealeMarea majoritate a amestecurilor nu sunt amestecuri ideale și, deci, nu respectă legea

lui Raoult. Sunt, practic, ideale amestecurile substanțelor apropiate din punct  de vederechimic, de ex. termenii apropiați ai seriilor omoloage (ex. benzenul și toluenul). 

Pentru adaptarea relațiilor anterioare în scopul utilizării lor la amestecuri neideale se

introduce un factor de corecție –  coeficientul de activitate γi   –  cu care se înmulțește presiuneade vapori Pi a substanței: 

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

6/13

6

=   ∙   ∙   (17) 

=  ∙

  ∙   (18) 

1 =

− 2 ∙ 2

1 ∙ 1 − 2 ∙ 2   (19) 

=1 ∙ 1

2 ∙ 2=

1

2∙

2

1  (20) 

Coeficienții de activitate variază cu natura componenților amestecului, cu concentrațiași cu presiunea.

3.1.3.1. Amestecur i azeotropeUn amestec azeotrop  este un amestec de două sau mai multe componente lichide ce nu

 poate fi separat prin distilare simplă deoarece, la fierbere, compoziția vaporilor este aceeașicu compoziția lichidului   din care au provenit vaporii. Amestecurile azeotrope suntamestecur i neideale .

Atunci când valorile coeficienților de activitate diferă puțin de unitate, diagrama presiunilor, diagrama de fierbere și diagrama de echilibru se modifică în consecință, dar păstrează forma generală a diagramelor pentru amestecuri ideale. Atunci când valorilecoeficienților de activitate diferă mult de unitate apar diferențe importante. 

Fig. 5. Diagrama presiunilor pentru un amestec binar neideal: a.  pentru coeficienți deactivitate mult mai mari decât unitatea; b.  pentru coeficienți de activitate mult mai mici decâtunitatea.

Diagrama din figura 5.a. arată variația presiunilor parțiale p1 și p2 și a presiunii totale p în funcție de concentrația x1, la temperatură constantă, când coeficienții de activitate sunt multmai mari decât unitatea, iar figura 5.b. cazul similar pentru coeficienți de activitate mult maimici decât unitatea. Se observă că în ambele diagrame presiunea totală este dată de curbe careau un extremum: un maxim  în primul caz și un minim  în al doilea caz. Pentru anumite valoriale presiunii există două compoziții ( x1’  și x1’’ ) care fierb la aceeași presiune și la temperatura

 pentru care a fost construită diagrama. Diagramele de fierbere ale acestor amestecuri prezintă, de asemenea, curbe cu

extremum. Curba de fierbere (curba lichidului) și curba de condensare (curba vaporilor) sunttangente în punctul de extremum , în care compoziția x a lichidului este egală cu compoziția

y a vapori lor .

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

7/13

7

Fig. 6. Diagramele de fierbere pentru amestecuri binare neideale: a.  pentru coeficiențide activitate mult mai mari decât unitatea; b.  pentru coeficienți de activitate mult mai micidecât unitatea.

Astfel de diagrame pot fi interpretate dacă se consideră că ele sunt formate din două părți: în stânga și în dreapta punctului de azeotrop (unde x = y). Fiecare din aceste părți este,de fapt, o diagramă de fierbere similară cu cea discutată la amestecuri ideale.

Pentru cazul din figura 6.a, azeotropul are temperatura minimă de fierbere, mai micădecât a celorlalți doi componenți (t min < t 1 < t 2). Pentru un amestec a cărui compoziție estesituată în stânga punctului de azeotrop (de ex. x2), vom putea separa prin distilare azeotropulde componentul 2 (mai puțin volatil decât azeotropul). Pentru un amestec cu compoziția aflatăîn dreapta punctului de azeotrop (de ex.  x4), vom putea separa prin distilare azeotropul (maivolatil) de componentul 1 (mai puțin volatil). O discuție similară putem face pentru cazul dinfigura 6.b, cu deosebirea că acest amestec formează un azeotrop mai puțin volatil decâtceilalți doi componenți ai amestecului (t 1 < t 2 < t max).

În diagramele de echilibru, curbele de echilibru intersectează diagonala în punctul încare x = y (punctul de azeotrop).

Fig. 7. Diagramele de echilibru pentru amestecuri binare neideale: a.  pentru coeficiențide activitate mult mai mari decât unitatea; b.  pentru coeficienți de activitate mult mai micidecât unitatea.

3.1.3.2. Amestecur i nemiscibi le

Într-un sistem format din două substanțe lichide nemiscibile,  fiecare substanță secomportă ca și cum ar fi singură: presiunea parțială a fiecărei substanțe depinde numai de

a b

a b

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

8/13

8

temperatură (p1 = P1 și p2 = P2) și este, deci, independentă de proporția celor două substanțe.Sistemul va fierbe la temperatura la care suma presiunilor parțiale ale componenților esteegală cu presiunea la care se găsește sistemul. 

Fig. 8. Exemplu de diagramă presiune–temperatură pentru sistemul nemiscibil benzen –apă. 

Din diagramă rezultă că temperatura de fierbere a amestecului  benzen-apă esteinferioară temperaturilor de fierbere ale componenților, proprietate analogă amestecurilorazeotrope pozitive (cu  punct minim de fierbere). Temperatura de fierbere se găsește laintersecția curbei presiunii totale (p = pA  + pB) cu orizontala presiunii la care se găseștesistemul (ex. 760 torr sau 300 torr în figură). De ex., la 760 torr (mm Hg) sistemul benzen-apă

fierbe la 69,4°C, deși temperaturile de fierbere ale componenților sunt 80,2°C (benzen) și100°C (apă). 

Sisteme de acest tip sunt utilizate pentru purificarea prin antrenare cu vapori asubstanțelor organice  termolabile sau cu punct ridicat de fierbere, datorită scăderiitemperaturii de fierbere a compusului organic. Dacă într -un lichid nemiscibil cu apa (ex.

 benzen) se introduc vapori de apă, aceștia vor încălzi lichidul, condensându-se. Se formeazăastfel un sistem de lichide nemiscibile, bine agitate de vaporii de apă care continuă să intre.Este important ca vaporii utilizați (ex. apă) să fie astfel aleși încât separarea substanțeiantrenate de substanța antrenantă să se facă printr -o operație simplă (ex. decantare).

3.1.2. Rectificarea continuă a amestecurilor binare –  coloane de

rectificare Rectificarea continuă  este o succesiune de distilări și condensări   rezultate din

schimbul de căldură și de masă dintre vapori și refluxul lichid , care circulă în contracurentîn coloana de distilare. Rectificarea continuă (în instalații industriale) este o operație în regimstaționar, amestecul care trebuie separat intră în coloană cu debit constant și temperaturăconstantă; cele două fracțiuni rezultate ies din coloană cu debite și temperaturi constante întimp; în orice punct al coloanei de rectificare debitele, concentrațiile, temperatura și presiunearămân constante în timp după ce coloana a intrat în regimul normal de funcționare. 

Elementele principale ale coloanelor de rectificare sunt: refierbătorul   3  (denumit șiblaz ), coloana de rectif icare  propriu-zisă, 1 (cu talere ), condensatorul   pentru distilat 2 (Fig.

9).

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

9/13

9

Fig. 9. Reprezentarea schematică a unei coloane de rectificare continuă. 

Funcționarea coloanelor de rectificare continuă: amestecul ce trebuie separat esteintrodus pe acel taler al coloanei unde compoziţia lichidului este identică cu cea a alimentării.Amestecul lichid curge din taler în taler (de sus în jos), în contracurent cu vaporii care urcă dela refierbător spre vârful coloanei. Deoarece vaporii au o temperatură puţin mai ridicată decâtcea a lichidului, ei vor ceda prin contactul cu lichidul o cantitate mică de căldură către lichid,care se va încălzi puţin. Prin încălzire, din lichid se va vaporiza o cantitate mică de componentuşor volatil, care va trece în fază de vapori. Prin cedarea de căldură către lichid vaporii serăcesc puţin, iar o cantitate mică de component greu volatil din vapori va condensa şi va trece

în lichid. Astfel, la fiecare taler vaporii se îmbogăţesc puţin în component uşor volatil, iarlichidul se îmbogăţeşte puţin în component greu volatil. În acest fel, la vârful coloanei vaporiivor conţine mai ales component uşor volatil, iar la baza coloanei lichidul va conţine mai alescomponent greu volatil. O separare perfectă în componenţii individuali puri nu este posibilă

 prin distilare sau rectificare.Ajunşi la vârful coloanei, vaporii sunt trecuţi într -un condensator unde sunt

condensaţi, lichidul obţinut prin condensare având aceeaşi compoziţie cu a vaporilor, deci estefoarte bogat în component uşor volatil. O mare par te din acest lichid este reintrodus încoloană sub denumirea de reflux, iar restul este răcit şi evacuat din instalaţie sub denumireade distilat.

La baza coloanei, lichidul foarte bogat în component greu volatil este trecut printr-unrefierbător, cu ajutorul căruia este încălzit şi sunt produşi vaporii care ajută la separareacomponentelor în partea de jos a coloanei (pe fiecare taler trebuie să intre în contact vapori şilichid). După ieşirea din refierbător lichidul este evacuat din coloană sub denumirea   dereziduu. Încălzirea refierbătorului din baza coloanei se face, la instalaţiile industriale, cu abur. 

În Fig. 10 este reprezentată o secțiune printr -o coloană de rectificare cu talere șiclopote. Interiorul coloanei este împărțit prin talere orizontale,  metalice (în coloana dinlaborator acestea sunt confecționate din sticlă). Talerele conţin tuburi scurte care suntacoperite cu clopote din acelaşi material, cu marginea zimţată. Vaporii trec prin tuburi, suntforţaţi de clopote să treacă prin stratul de lichid de pe taler, intrând astfel în contact culichidul. Lichidul (refluxul) curge de pe talerul superior prin tubul deversor, trece transversal

 pe suprafaţa talerului, printre clopote, deversează peste prag (care fixează astfel nivelul

Distilat

Apă

r ăcire

Alimentare

Vapori

Reflux

Abur 

Reziduu

1

2

3

Distilat

Apă

r ăcire

Alimentare

Vapori

Reflux

Abur 

Reziduu

1

2

3

Apă

r ăcire

Alimentare

Vapori

Reflux

Abur 

Reziduu

1

2

3

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

10/13

10

lichidului de pe taler) şi curge apoi prin tubul deversor pe talerul următor. Curgerea lichiduluişi vaporilor este în curent încrucişat, pentru un contact cât mai bun între cele două faze. 

Fig. 10. Secțiune printr -o coloană cu talere și clopote: 1   –  peretele coloanei; 2   –  taler;3   –  tubul talerului; 4   –  clopot; 5   –  margine zimțată a clopotului; 6   –  prag; 7   –  tub deversor;traseele cu săgeți albastre –   circuitul lichidului pe talere; traseele cu săgeți roșii –   circuitulvaporilor în coloană. 

Talerul teoretic  este o unitate ideală de contact între vaporii și lichidul dintr -o coloanăde distilare cu rectificare. Din contactul între refluxul care cade de pe talerul imediat superiorşi vaporii care urcă de pe talerul imediat inferior, talerul teoretic produce vapori şi lichid înechilibru termodinamic (notă: în coloana de rectificare numerotarea talerelor se face de sus în

 jos; talerul 1 este primul taler din partea superioară a coloanei). Diagrama de fierbere (Fig. 11)explică noțiunea de taler teoretic: refluxul talerului superior (n-1) are compoziţia xn-1  şi

temperatura tn-1, iar vaporii care urcă de pe talerul imediat inferior (n+1) au compoziţia yn+1 şitemperatura tn+1. Acest reflux şi aceşti vapori (care nu sunt în echilibru termodinamic) ajungîn contact pe talerul n, cu temperatura tn, unde vaporii mai calzi (tn+1 > tn) cedează căldurălichidului mai rece (tn-1 < tn), evaporând componentul mai volatil din lichid. În acelaşi timp se

 produce condensarea unei părţi din componentul greu volatil aflat în vapori. Din acest contactrezultă un lichid (reflux) cu compoziţia xn  şi vapori cu compoziţia yn, ambele faze avândaceeaşi temperatură tn. Condiţia ca talerul n să fie taler teoretic este ca x n  şi yn  săcorespundă echilibrului termodinamic lichid –  vapori .

Fig. 11. Diagrama de fierbere pentru explicarea conceptului de taler teoretic.

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

11/13

11

Determinarea numărului de talere teoretice dintr -o coloană de rectificare se face prinmetoda grafică sau prin calcul (vezi lucrarea de laborator). 

Rectificarea continuă a amestecurilor multiple. Un amestec mul tiplu  este un amesteccare este  format din mai mult de doi componenți . Pentru separarea prin rectificare a unuiamestec format din n  componenți este nevoie de n-1 coloane de rectificare. În Fig. 12 sunt

 prezentate câteva posibilități pentru separarea unui amestec format din patru componenți, cuvolatilitățile în ordinea descrescătoare A > B > C > D. Indiferent de ordinea de separare, suntnecesare 3 coloane pentru separarea celor 4 fracțiuni. 

Fig. 12. Posibilități de separare prin rectificare continuă a unui amestec de patrucomponente.

3.1.3. Tipuri de procese de distilare Distilarea simplă  (sau diferențială) este o operație discontinuă, care se realizeazăfierbând o cantitate de amestec inițial și eliminând vaporii din fierbător pe măsură ce ei seformează; vaporii rezultați sunt condensați într -un condensator (refrigerent). Distilatul   (sau

 fracțiunea ușoară) are un conținut mai mare din componentul sau componenții mai volatili.Reziduul  (sau fracțiunea grea), care rămâne în fierbător când se întrerupe distilarea, este maiconcentrat în compusul sau compușii mai greu volatili ai amestecului inițial. Distilarea simplăse face în limita temperaturilor cuprinse între 40°C și 150°C. Substanțele car e au temperaturade fierbere peste 150°C se pot descompune (de aceea se separă prin disti lare în vid ), iar celecu temperatura de fierbere sub 40°C distilă cu pierderi mari într -un distilator obișnuit (nucondensează total în refrigerent).

Distil area fr ac  ționată  este o variantă a distilării simple, în care porțiuni din distilatsunt culese separat (prin schimbarea vasului de culegere). Primele porțiuni sunt mai bogate încomponenții ușor volatili decât ultimele porțiuni. 

Antrenarea cu vapor i   (vezi paragraful 3.1.3.2. Amestecuri nemiscibile) se aplică la purificarea substanțelor organice termolabile sau cu punct înalt de fierbere. 

3.2. Extracția lichid –  lichid [Bratu, p. 202-236; Kasatkin, p. 652-666]  Extracția  este operația unitară de separare bazată pe diferența de solubilitate  a

componenților unui amestec în unul sau mai mulți solvenți. Operația se numește extracție solid -lichid   sau elutriere  atunci când amestecul de

separat este solid, și spălare atunci când amestecul de separat este solid iar componenta care

se separă este o impuritate solubilă în solvent. Operația se numește extracție lichid -lichid  (sauextracție cu solvenți selectivi, rafinare cu solvenți selectivi) atunci când amestecul inițial este

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

12/13

12

lichid. Când amestecul de componenți este gazos, operația de extracție este echivalentă cuabsorbția,  spălarea gazelor   sau chemosorbția. În cele ce urmează ne vom ocupa doar deextracția lichid -lichid .

 Procesul de extracție se bazează pe pe proprietatea substanțelor ce au concentrațiidifer i te de a dif uza una în al ta atunci când sunt în contact .

Dacă un amestec lichid omogen format din componenții A și B este pus în contact cuun solvent selectiv S, în care A este cât mai puțin solubil iar B cât mai solubil, dupăamestecare și apoi sedimentare se formează două straturi: 

- rafinatul , care conține aproape întreaga cantitate de A și mici cantități de B și S; - extractul , care conține aproape întreaga cantitate de solvent S și compus B, și mici

cantități de A. După decantarea celor două straturi (nemiscibile) se recuperează solventul, care apoi

se recirculă. Repartiția la echilibru a componentului B (solubil și în A și în S) între raf inat și extract

se face după un coeficient de repartiție (sau coeficient de distribuție): 

= 

, în care:  K  = coeficientul de repartiție  y B = fracția molară a componentului B în extract  x B = fracția molară a componentului B în rafinat. 

Cu cât valoar ea coef icientul ui K este mai mar e, cu atât solventul S este mai selectiv pentru extracția compusului B.

Deoarece componentul A și solventul S sunt nemiscibile, trecerea componentului Bdin amestecul inițial cu A în solventul S se face în conformitate cu legea lui F ick :

= − ∙ ∙

 ∙  

unde: dG = cantitatea (diferențială) de compus B extras;  D  = coeficientul de difuzie (care depinde doar de natura compusului B și de cea a

solventului S);dF  = suprafața de separare (contact) între cele două faze nemiscibile; dc/dx = gradientul de concentrație, adică diferența între concentrația componentului B

în cele două faze; difuzia componentului B se va produce dinspre zona cu concentrație maimare spre zona cu concentrație mai mică. Atât timp cât gradientul de concentrație este diferitde zero, extracția are loc; atunci când gradientul de concentrație devine zero extracțiaîncetează (se atinge echilibrul și nu mai are loc difuzia componentului B). Pentru a menținegradientul de concentrație diferit de zero se utilizează diferite tipuri de instalații de extracție –  

de ex., se lucrează în contracurent în coloanele de extracție cu umplutură. dτ  = durata extracției (timpul de contact cu solventul de extracție). Ca urmare, factorii care influențează extracția sunt: - alegerea unui solvent cât mai selectiv  (care să aibă un coeficient de difuzie ridicat); - creșterea suprafeței de separare (contact) între faze în timpul extracției, ceea ce se

realizează prin instalarea unor dispozitive de amestecare sau utilizarea unor umpluturi încoloanele de extracție; 

- creșterea gradientului de concentrație (factorul determinant), ceea ce se realizează prin mărirea cantității de solvent sau prin efectuarea procesului de extracție în contracurent ;

- creșterea duratei de extracție; această creștere are însă o limită, dincolo de care chiaro mărire considerabilă a timpului de extracție duce la o creștere nesemnificativă a cantității de

substanță extrasă. 

8/18/2019 30_17_25_25curs_3 distilare

13/13

13

Rezumatul temei 3 Distilarea și extracția  reprezintă operații unitare de separare (sau concentrare) a

amestecurilor omogene lichide (extracția se poate aplica și amestecurilor solide sau gazoase). Distilarea   reprezintă operația de separare a componenților unui amestec omogen de

lichide, pe baza d iferenței de volatilitate dintre componente. Distilarea este o operație dublă,

compusă din  fierberea parțială  a amestecului și condensarea vapor il or . Separările prindistilare se bazează pe diferența de compoziție dintre faza lichidă și faza de vapori  în timpuldistilării unui amestec lichid. 

Amestecurile lichide omogene care respectă legea lu i Raoul t   se numesc amestecuriideale . Pentru acestea putem calcula compoziția vaporilor rezultați prin fierberea unuiamestec la o anumită temperatură dacă se cunosc presiunea totală, compoziția lichidului și

 presiunile de vapori ale componenților puri la temperatura la care se produce fierberea. Stareaamestecului în timpul fierberii este descrisă de diagramele de presiune , de f ierbere   și deechili bru li chid-vapori .

Amestecurile care nu respectă legea lui Raoult se numesc amestecuri neideale . Dintreacestea amintim amestecuri le azeotrope poz itive și negative.

Principalele tipuri de procese de distilare sunt: distilarea simplă, disti larea în vid ,distilarea fracționată, rectificarea , antr enarea cu vapori .

Rectificarea   se realizează în coloane de rectificare cu talere și clopote, în care sesepară la vârful coloanei o fracție bogată în componentul (conponenții) mai volati l (i), iar labaza coloanei componentu l  (componenții) mai puțin volatil (i). Talerul teoretic  este o unitateideală de separare în coloana de rectificare. 

 Extracția  este operația unitară de separare bazată pe diferența de solubilitate  acomponenților unui amestec în unul sau mai mulți solvenți. Legea care guvernează procesulde extracție este legea lui F ick .

Bibliografie

1.  E. A. Bratu –  Operații unitare în ingineria chimică, vol. III, Editura Tehnică,București, 1985 

2.  A. G. Kasatkin –  Procese și aparate principale în tehnologia chimică, Ed. Tehnică,1953