PROCESE TEHNOLOGICE ȘI PROTECȚIA MEDIULUI

Tema 3. Distilarea și extracția.

Obiectivele cursului: În cadrul acestei teme vor fi discutate următoarele 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 mai

multe ori. Separarea este cu atât mai ușoară și mai completă cu cât diferența dintre

volatilitățile 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 proprietățile

fazei lichide și fazei de vapori ale amestecului, adică de echilibrul lichid – vapori al

amestecului 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 amestecurile

organice, separarea aerului (după lichefiere) în oxigen și azot, concentrarea acidului sulfuric

etc.

3.1.1. Echilibrul lichid – vapori Un lichid 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 rămâne

neschimbată în timpul fierberii dacă presiunea este menținută constantă; compoziția lichidului

și cea a vaporilor sunt identice și nu variază în timpul fierberii.

Într-un lichid format din mai multe substanțe (cu mai mulți componenți) fierberea

începe când suma presiunilor parțiale ale componenților este egală cu presiunea la care se face

fierberea. Temperatura se schimbă (crește) în timpul fierberii (la presiune constantă).

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

2

vaporii find mai bogați în componentul (sau componenții) mai volatili. Compoziția lichidului

și 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. Amestecuri ideale; legea lui Raoult

Amestecurile ideale sunt considerate ca fiind acele amestecuri lichide pentru care se

respectă legea lui Raoult: presiunea parțială a unui component dintr-un amestec omogen de

lichide este egală cu produsul dintre presiunea de vapori a lichidului pur (la temperatura

de fierbere a amestecului) și fracția molară a componentului respectiv în amestec:

𝑝𝑖 = 𝑃𝑖 ∙ 𝑥𝑖 (1)

unde: pi = presiunea parțială a componentului i;

Pi = 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 lui Dalton, în

funcție de presiunea parțială pi și presiunea totală p:

𝑦𝑖 =𝑝𝑖

𝑝 (2)

Din ecuațiile (1) și (2) rezultă:

𝑦𝑖 =𝑃𝑖

𝑝∙ 𝑥𝑖 (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 un

component mai greu volatil 2:

𝑝1 = 𝑃1 ∙ 𝑥1 (4)

𝑝2 = 𝑃2 ∙ 𝑥2 (5)

Deoarece într-un amestec binar x1 + x2 = 1 și p1 + p2 = p (unde p = presiunea totală, la

care are loc fierberea amestecului), prin adunarea ecuațiilor (4) și (5) se obține:

𝑝 = 𝑃1𝑥1 + 𝑃2 1 − 𝑥1 (6) de unde:

𝑥1 =𝑝 − 𝑃2

𝑃1 − 𝑃2 (7)

care dă compoziția lichidului ce fierbe la presiunea p.

Compoziția vaporilor amestecului binar rezultă din ecuațiile (2) și (7):

𝑦1 =𝑝1

𝑝=

𝑃1

𝑝∙𝑝 − 𝑃2

𝑃1 − 𝑃2 (8)

iar 𝑦2 = 1 − 𝑦1. (9)

3

3.1.1.2. Volatilitate; volatilitate relativă

Volatilitatea 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 Pi. De asemenea,

pentru amestecurile ideale, volatilitatea componenților este egală cu presiunea de vapori a

substanței pure: 𝑝𝑖

𝑥𝑖=

𝑃𝑖 ∙ 𝑥𝑖

𝑥𝑖= 𝑃𝑖 (10)

Volatilitatea relativă α este raportul dintre volatilitățile a doi componenți dintr-un

amestec. Pentru amestecuri ideale, volatilitatea relativă a doi componenți este egală cu

raportul dintre presiunile de vapori ale componenților. Pentru amestecuri binare ideale:

𝛼 =𝑃1

𝑃2=

𝑦1

𝑦2∙𝑥2

𝑥1 (11)

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

𝑝 ∙ 𝑦1 = 𝑃1 ∙ 𝑥1 (12)

𝑝 ∙ 𝑦2 = 𝑃2 ∙ 𝑥2 (13)

Prin împărțire rezultă: 𝑦1

𝑦2=

𝑃1 ∙ 𝑥1

𝑃2 ∙ 𝑥2 (14)

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

𝑦1

1 − 𝑦1= 𝛼 ∙

𝑥1

1 − 𝑥1 (15)

de unde:

𝑦1 =𝛼 ∙ 𝑥1

1 + (𝛼 − 1)𝑥1 (16)

Această ecuație este cunoscută ca ecuația lui Fenske.

3.1.2. Diagrame de echilibru pentru amestecuri ideale 3.1.2.1. Diagrama presiunilor

În 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 = P1 pentru x1 = 1.

Variația presiunii p2 este, de asemenea, reprezentată de o dreaptă corespunzând ecuației (1)

care trece prin punctul p2 = P2 pentru x2 = 1 și p2 = 0 pentru x2 = 0 (x1= 1).

Variația presiunii totale p este reprezentată de dreapta care unește p = P2 pentru x1= 0

cu punctul p = P1 pentru x1 = 1.

Compoziția amestecului care va fierbe la temperatura t la o presiune oarecare p se

găsește determinând punctul de pe abscisă care corespunde intersecției dintre valoarea de pe

ordonată p și dreapta ce reprezintă presiunea totală.

3.1.2.2. Diagrama de fierbere

La substanțele pure, temperatura de fierbere la o anumită presiune este identică cu

temperatura de condensare la aceeași presiune. La amestecurile formate din mai mulți

componenți, vaporizarea lichidului și condensarea vaporilor variază într-un interval de

4

temperaturi; temperatura de fierbere este considerată temperatura la care începe fierberea

(apare prima bulă de vapori) sau când se termină condensarea (întreaga cantitate de vapori a

fost 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 un

amestec binar ideal.

Fig. 2. Diagrama de fierbere pentru un

amestec binar ideal.

Diagrama fazelor unui amestec lichid binar ideal (Fig. 3), numită diagramă de

fierbere, arată variația temperaturii de fierbere în funcție de compoziția x a lichidului, și

variația temperaturii de condensare în funcție de compoziția y a vaporilor.

Curbele variază între temperaturile de firbere t1 și t2 ale substanțelor pure. În figura 3,

deoarece t1 are valoare mai scăzută decât t2, putem trage concluzia că primul compus

(compusul 1) este mai volatil. Punctele de pe curbele lichidului și vaporilor reprezintă stări de

echilibru la fierbere, respectiv condensare. Cele două curbe împart diagrama în trei regiuni:

a) regiunea de sub curba lichidului (denumită și curbă de fierbere), reprezentând

faza 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 t0 (punctul A), lichidul trece prin stările dintre punctele A și B (se

modifică doar temperatura, nu și concentrația x'). În punctul B lichidul a atins temperatura de

fierbere 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 observă că y' are valoare mai

mare decât x' (pentru amestecurile ideale, întotdeauna y > x), deci vaporii emiși sunt mai

bogați în compenentul 1 (concentrația componentului 1 în vapori este mai mare decât a

aceluiați component în lichidul care a emis vaporii). Ca urmare, lichidul pierde mai ușor

compenentul volatil (componentul 1) și, în timpul fierberii, starea lui urmează curba de

fierbere 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

5

concentrația vaporilor, y'', este egală cu concentrația inițială x', ceea ce arată că întreaga

cantitate de lichid a fost vaporizată. Dacă se continuă încălzirea, vaporii se supraîncălzesc și

starea lor este descrisă de dreapta EF (se modifică din nou doar temperatura, nu și compoziția

lor).

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

3.1.2.3. Diagrama de echilibru

Diagrama de echilibru redă relația dintre compoziția vaporilor y1 și compoziția

lichidului, x1. Pentru amestecuri ideale, curba redă grafic ecuația Fenske (vezi paragraful

3.1.1.2. Volatilitate; volatilitate relativă). Pentru amestecuri ideale întreaga curbă se găsește

deasupra diagonalei diagramei, iar forma curbei depinde de volatilitatea relativă a celor doi

componenți 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 neideale Marea majoritate a amestecurilor nu sunt amestecuri ideale și, deci, nu respectă legea

lui Raoult. Sunt, practic, ideale amestecurile substanțelor apropiate din punct de vedere

chimic, de ex. termenii apropiați ai seriilor omoloage (ex. benzenul și toluenul).

6

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 presiunea

de vapori Pi a substanței:

𝑝𝑖 = 𝛾𝑖 ∙ 𝑃𝑖 ∙ 𝑥𝑖 (17)

𝑦𝑖 =𝛾𝑖 ∙ 𝑃𝑖

𝑝∙ 𝑥𝑖 (18)

𝑥1 =𝑝 − 𝛾2 ∙ 𝑃2

𝛾1 ∙ 𝑃1 − 𝛾2 ∙ 𝑃2 (19)

𝛼 =𝛾1 ∙ 𝑃1

𝛾2 ∙ 𝑃2=

𝑦1

𝑦2∙𝑥2

𝑥1 (20)

Coeficienții de activitate variază cu natura componenților amestecului, cu concentrația

și cu presiunea.

3.1.3.1. Amestecuri azeotrope

Un 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 aceeași

cu compoziția lichidului din care au provenit vaporii. Amestecurile azeotrope sunt amestecuri

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 valorile

coeficienților de activitate diferă mult de unitate apar diferențe importante.

Fig. 5. Diagrama presiunilor pentru un amestec binar neideal: a. pentru coeficienți de

activitate mult mai mari decât unitatea; b. pentru coeficienți de activitate mult mai mici decât

unitatea.

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 mult

mai mari decât unitatea, iar figura 5.b. cazul similar pentru coeficienți de activitate mult mai

mici decât unitatea. Se observă că în ambele diagrame presiunea totală este dată de curbe care

au un extremum: un maxim în primul caz și un minim în al doilea caz. Pentru anumite valori

ale 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) sunt

7

tangente în punctul de extremum, în care compoziția x a lichidului este, deci, egală cu

compoziția y a vaporilor.

Fig. 6. Diagramele de fierbere pentru amestecuri binare neideale: a. pentru coeficienți

de activitate mult mai mari decât unitatea; b. pentru coeficienți de activitate mult mai mici

decât 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 mică

decât a celorlalți doi componenți (tmin < t1 < t2). Pentru un amestec a cărui compoziție este

situată în stânga punctului de azeotrop (de ex. x1), vom putea separa prin distilare azeotropul

de componentul 2 (mai puțin volatil decât azeotropul). Pentru un amestec cu compoziția aflată

în dreapta punctului de azeotrop (de ex. x3), vom putea separa prin distilare azeotropul (mai

volatil) de componentul 1 (mai puțin volatil). O discuție similară putem face pentru cazul din

figura 6.b, cu deosebirea că acest amestec formează un azeotrop mai puțin volatil decât

ceilalți doi componenți ai amestecului (t1 < t2 < tmax).

În diagramele de echilibru, curbele de echilibru intersectează diagonala în punctul în

care x = y (punctul de azeotrop).

Fig. 7. Diagramele de echilibru pentru amestecuri binare neideale: a. pentru coeficienți

de activitate mult mai mari decât unitatea; b. pentru coeficienți de activitate mult mai mici

decât unitatea.

a b

a b

8

3.1.3.2. Amestecuri nemiscibile

Într-un sistem format din două substanțe lichide nemiscibile, fiecare substanță se

comportă ca și cum ar fi singură: presiunea parțială a fiecărei substanțe depinde numai de

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 ste egală

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 este

inferioară temperaturilor de fierbere ale componenților, proprietate analogă amestecurilor

azeotrope pozitive (cu punct minim de fierbere). Temperatura de fierbere se găsește la

intersecția curbei presiunii totale (p = pA + pB) cu orizontala presiunii la care se găsește

sistemul (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) și

100°C (apă).

Sisteme de acest tip sunt utilizate pentru purificarea prin antrenare cu vapori a

substanțelor organice termolabile sau cu punct ridicat de fierbere, datorită scăderii

temperaturii 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 formează

astfel 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 substanței

antrenate 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 contracurent în

coloana de distilare. Rectificarea continuă (în instalații industriale) este o operație în regim

staționar, amestecul care trebuie separat intră în coloană cu debit constant și temperatură

constantă; cele două fracțiuni rezultate ies din coloană cu debite și temperaturi constante în

timp; în orice punct al coloanei de rectificare debitele, concentrațiile, temperatura și presiunea

rămân constante în timp după ce coloana a intrat în regimul normal de funcționare.

9

Elementele principale ale coloanelor de rectificare sunt: refierbătorul 3 (denumit și

blaz), coloana de rectificare propriu-zisă, 1 (cu talere), condensatorul pentru distilat 2 (Fig.

9).

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

Funcționarea coloanelor de rectificare continuă: amestecul ce trebuie separat este

introdus 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 de

la refierbător spre vârful coloanei. Deoarece vaporii au o temperatură puţin mai ridicată decât

cea 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 component

uşor volatil, care va trece în fază de vapori. Prin cedarea de căldură către lichid vaporii se

răcesc 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, iar

lichidul se îmbogăţeşte puţin în component greu volatil. În acest fel, la vârful coloanei vaporii

vor conţine mai ales component uşor volatil, iar la baza coloanei lichidul va conţine mai ales

component 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 este

foarte bogat în component uşor volatil. O mare parte din acest lichid este reintrodus în

coloană sub denumirea de reflux, iar restul este răcit şi evacuat din instalaţie sub denumirea

de distilat.

La baza coloanei, lichidul foarte bogat în component greu volatil este trecut printr-un

refierbător, cu ajutorul căruia este încălzit şi sunt produşi vaporii care ajută la separarea

componentelor în partea de jos a coloanei (pe fiecare taler trebuie să intre în contact vapori şi

lichid). După ieşirea din refierbător lichidul este evacuat din coloană sub denumirea de

reziduu. 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 și

clopote. Interiorul coloanei este împărțit prin talere orizontale, metalice (în coloana din

laborator acestea sunt confecționate din sticlă). Talerele conţin tuburi scurte care sunt

acoperite cu clopote din acelaşi material, cu marginea zimţată. Vaporii trec prin tuburi, sunt

forţaţi de clopote să treacă prin stratul de lichid de pe taler, intrând astfel în contact cu

Distilat

Apă

răcire

Alimentare

Vapori

Reflux

Abur

Reziduu

1

2

3

Distilat

Apă

răcire

Alimentare

Vapori

Reflux

Abur

Reziduu

1

2

3

Apă

răcire

Alimentare

Vapori

Reflux

Abur

Reziduu

1

2

3

10

lichidul. Lichidul (refluxul) curge de pe talerul superior prin tubul deversor, trece transversal

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

lichidului de pe taler) şi curge apoi prin tubul deversor pe talerul următor. Curgerea lichidului

şi 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 – circuitul

vaporilor în coloană.

Talerul teoretic este o unitate ideală de contact între vaporii și lichidul dintr-o coloană

de distilare cu rectificare. Din contactul între refluxul care cade de pe talerul imediat superior

şi vaporii care urcă de pe talerul imediat inferior, talerul teoretic produce vapori şi lichid în

echilibru 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 şi

temperatura tn+1. Acest reflux şi aceşti vapori (care nu sunt în echilibru termodinamic) ajung

în contact pe talerul n, cu temperatura tn, unde vaporii mai calzi (tn+1 > tn) cedează căldură

lichidului 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 contact

rezultă un lichid (reflux) cu compoziţia xn şi vapori cu compoziţia yn, ambele faze având

aceeaşi temperatură tn. Condiţia ca talerul n să fie taler teoretic este ca xn şi yn să corespundă

echilibrului termodinamic lichid – vapori.

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

11

Determinarea numărului de talere teoretice dintr-o coloană de rectificare se face prin

metoda grafică sau prin calcul (vezi lucrarea de laborator).

Rectificarea continuă a amestecurilor multiple. Un amestec multiplu este un amestec

care este format din mai mult de doi componenți. Pentru separarea prin rectificare a unui

amestec 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, cu

volatilitățile în ordinea descrescătoare A > B > C > D. Indiferent de ordinea de separare, sunt

necesare 3 coloane pentru separarea celor 4 fracțiuni.

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

componente.

3.1.3. Tipuri de procese de distilare Distilarea simplă (sau diferențială) este o operație discontinuă, care se realizează

fierbând o cantitate de amestec inițial și eliminând vaporii din fierbător pe măsură ce ei se

formează; 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 mai

concentrat în compusul sau compușii mai greu volatili ai amestecului inițial. Distilarea simplă

se face în limita temperaturilor cuprinse între 40°C și 150°C. Substanțele care au temperatura

de fierbere peste 150°C se pot descompune (de aceea se separă prin distilare în vid), iar cele

cu temperatura de fierbere sub 40°C se distilă cu pierderi mari într-un distilator obișnuit (nu

condensează total în refrigerent).

Distilarea fracționată este o variantă a distilării simple, în care porțiuni din distilat

sunt culese separat (prin schimbarea vasului de culegere). Primele porțiuni sunt mai bogate în

componenții ușor volatili decât ultimele porțiuni.

Antrenarea cu vapori (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

12

se separă este o impuritate solubilă în solvent. Operația se numește extracție lichid-lichid (sau

extracție cu solvenți selectivi, rafinare cu solvenți selectivi) atunci când amestecul inițial este

lichid. Când amestecul de componenți este gazos, operația de extracție este echivalentă cu

absorbția, spălarea gazelor sau chemosorbția. În cele ce urmează ne vom ocupa doar de

extracția lichid-lichid.

Procesul de extracție se bazează pe pe proprietatea substanțelor ce au concentrații

diferite de a difuza una în alta atunci când sunt în contact.

Dacă un amestec lichid omogen format din componenții A și B este pus în contact cu

un solvent selectiv S, în care A este cât mai puțin solubil iar B cât mai solubil, după

amestecare 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 rafinat și extract

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

𝐾 =𝑦𝐵

𝑥𝐵, în care: K = coeficientul de repartiție

yB = fracția molară a componentului B în extract

xB = fracția molară a componentului B în rafinat.

Cu cât valoarea coeficientului K este mai mare, cu atât solventul S este mai selectiv

pentru extracția compusului B.

Deoarece componentul A și solventul S sunt nemiscibile, trecerea componentului B

din amestecul inițial cu A în solventul S se face în conformitate cu legea lui Fick:

𝑑𝐺 = −𝐷 ∙ 𝑑𝐹 ∙𝑑𝑐

𝑑𝑥∙ 𝑑𝜏

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;

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 în

coloanele 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 chiar

o mărire considerabilă a timpului de extracție duce la o creștere nesemnificativă a cantității de

substanță extrasă.

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 diferenței de volatilitate dintre componente. Distilarea este o operație dublă,

13

compusă din fierberea parțială a amestecului și condensarea vaporilor. Separările prin

distilare se bazează pe diferența de compoziție dintre faza lichidă și faza de vapori în

timpul distilării unui amestec lichid.

Amestecurile lichide omogene care respectă legea lui Raoult se numesc amestecuri

ideale. Pentru acestea putem calcula compoziția vaporilor rezultați prin fierberea unui

amestec 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. Starea

amestecului în timpul fierberii este descrisă de diagramele de presiune, de fierbere și de

echilibru lichid-vapori.

Amestecurile care nu respectă legea lui Raoult se numesc amestecuri neideale. Dintre

acestea amintim amestecurile azeotrope pozitive și negative.

Principalele tipuri de procese de distilare sunt: distilarea simplă, distilarea în vid,

distilarea fracționată, rectficarea, antrenarea cu vapori.

Rectificarea se realizează în coloane de rectificare cu talere și clopote, în care se

separă la vârful coloanei o fracție bogată în componentul(conponenții) mai volatil(i), iar la

baza coloanei componentul (componenții) mai puțin volatil(i). Talerul teoretic este o unitate

ideală de separare în coloana de rectificare.

Extracția este operația unitară de separare bazată pe diferența de solubilitate a

componenților unui amestec în unul sau mai mulți solvenți. Legea care guvernează procesul

de extracție este legea lui Fick.

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