Destylacja to metoda oddzielania składników z ciekłej mieszaniny poprzez wykorzystanie różnic w ich temperaturze wrzenia. Jest to rozdział ciecz-gaz i obejmuje odparowanie, a następnie kondensację każdej cieczy. Istnieją pewne zalety destylacji frakcyjnej nad prostą destylacją.
Popularne rodzaje destylacji to destylacja prosta, destylacja frakcyjna, destylacja próżniowa i destylacja z parą wodną. Różnią się one głównie konfiguracją aparatury i ich zastosowaniami.
Destylacja frakcyjna jest bardziej wydajna niż prosta destylacja w separacji ze względu na dużą liczbę półek teoretycznych. Jest to ważny proces w chemii, przemyśle i naukach o żywności. Zastosowania destylacji frakcyjnej obejmują procesy takie jak odsalanie, rafinacja ropy naftowej i oczyszczanie chemiczne.
Rodzaje destylacji
Destylacja prosta jest skuteczna tylko w przypadku cieczy, których temperatura wrzenia różni się o więcej niż 30 °C. Wręcz przeciwnie, destylacja frakcyjna jest odpowiednia dla trudniejszych rozdziałów, w których różnica temperatur wrzenia jest mniejsza niż 30 °C.
Teoria destylacji frakcyjnej
Aby zrozumieć, jak działa destylacja frakcyjna, trzeba wiedzieć Prawo Raoulta, który wskazuje, że prężność pary roztworu zależy od prężności pary każdego składnika i ułamka molowego składnika w roztworze. Utrzymując stałe ciśnienie, można generować wykres składu temperatury.
•••Zmodyfikowano na podstawie techniki laboratoryjnej w chemii organicznej (wydanie czwarte, 2014): strony 173-206
W przypadku mieszaniny pentan-heksan pod jednym ciśnieniem atmosferycznym początkowa mieszanina cieczy (L1) heksanu (tw = 69°C) i pentanu (tw = 36°C) wrze w temperaturze 48 °C, tworząc parę V1, który kondensuje do postaci L2. Po pierwszym cyklu waporyzacji-kondensacji procent pentanu wzrósł z 48% do 73%.
L2 następnie odparowuje do V2, co prowadzi do dalszego wzbogacenia w pentan. L5, czyli ciecz uzyskana po czterech cyklach, jest prawie czystym pentanem. Każdy cykl parowania-kondensacji, zwany również płyta teoretyczna, daje czystszy roztwór bardziej lotnego składnika.
Zalety destylacji frakcyjnej nad prostą destylacją
W układzie destylacji frakcyjnej, kolumna frakcjonująca jest zwykle umieszczona pomiędzy kolbą destylacyjną a głowicą, aby zwiększyć oddzielanie cieczy z mieszaniny. Kolumny te mają większą powierzchnię, na której mogą zachodzić równowagi ciecz-para, a zatem więcej płyt teoretycznych. Przykładami kolumn frakcjonujących są kolumny Vigreux i z perełkami szklanymi, które mają sześć do ośmiu półek teoretycznych.
W prostej destylacji nie stosuje się kolumny frakcjonującej, a para z kolby destylacyjnej przechodzi bezpośrednio do kondensacji. Ma tylko jedną lub dwie półki teoretyczne, więc nie byłaby skuteczna przy rozdzielaniu mieszanin, takich jak L1, który wymaga więcej niż czterech cykli parowania i kondensacji do oczyszczenia.
Zastosowania destylacji frakcyjnej
Destylacja frakcyjna jest stosowana w rafinerie ropy naftowej do rozdzielania ropy naftowej na węglowodory, które mają różną liczbę atomów węgla, temperaturę wrzenia i zastosowanie. Niektóre z wyodrębnionych produktów to benzyna, olej napędowy, oleje i woski. Metoda ta jest również stosowana w zakładach chemicznych, przetwórstwie gazu ziemnego i kriogenicznych instalacjach separacji powietrza.
Destylacja frakcyjna jest również powszechna technika w laboratoriach chemii organicznej. Na przykład cyklopentadien jest zwykle sprzedawany jako dicyklopentadien, ponieważ cyklopentadien może spontanicznie dimeryzować, tworząc dicyklopentadien. Destylacja frakcyjna jest często stosowana w celu przywrócenia dicyklopentadienu z powrotem do cyklopentadienu.
Wpływ destylacji frakcyjnej na środowisko
Sama destylacja frakcyjna nie jest szkodliwa dla środowiska. W rzeczywistości destylacja frakcyjna przekształca ropę naftową, która w innym przypadku nie nadaje się do użytku, w bardziej wartościowe produkty. Jednak rafinerie ropy naftowej, w których prowadzona jest destylacja frakcyjna ropy naftowej, mogą być źródłem zanieczyszczeń, jeśli produkty uboczne nie są odpowiednio przetwarzane zgodnie z przepisami.
Rafinerie są głównym źródłem zanieczyszczeń powietrza, takich jak cząstki stałe, tlenki azotu i tlenek węgla. Ścieki z rafinerii powodują również zanieczyszczenie wody i gleby, ponieważ osadzają się w warstwach wodonośnych, glebie i wodach gruntowych.