Destil·lació: Procés, Tipus i Lleis dels Canvis d'Estat

La destil·lació és un procés amb el qual s’aconsegueix, d’una manera senzilla i eficaç, separar els components d’una mescla líquida, amb punts d’ebullició diferents, mitjançant la combinació dels fenòmens de vaporització i condensació.

La destil·lació està basada en el fet que el vapor en equilibri amb el líquid d’una mescla és, en general, més ric en el component més lleuger, complint els principis físics que regeixen els canvis d’estat dels cossos. Per tant, és un fenomen físic. Quant més separats estiguin els punts d’ebullició dels components de la mescla, més fàcil resultarà la seva separació. S’anomena destil·lació simple a la que es limita a vaporitzar parcialment una mescla i recollir els vapors condensats. S’entén com a rectificació estricta la destil·lació que utilitza reflux i que aconsegueix, amb la condensació parcial dels vapors, un enriquiment progressiu del component més volàtil.

S’anomena fraccionament a la separació d’una mescla de diferents productes en fraccions o talls diferents, com és el cas del petroli cru.

Canvis d'estat

• De sòlid a líquid: Fusió
• De líquid a sòlid: Solidificació
• De líquid a gas: Vaporització
• De gas a líquid: Condensació
• De sòlid a gas: Sublimació
• De gas a sòlid: Sublimació inversa

La pressió o tensió de vapor es pot definir com la pressió exercida pels vapors sobre la superfície del líquid del qual provenen, quan el líquid i el vapor estan en equilibri.

Lleis de canvi d’estat de les substàncies pures

Els fenòmens de canvi d’estat es regeixen per unes lleis molt concretes. En el cas de les substàncies pures, aquestes lleis són les següents:

1. Cada substància té unes temperatures de canvi d’estat fixes i característiques a pressió atmosfèrica. S’anomenen temperatura de fusió i d’ebullició i no varien mai per a la mateixa substància, sempre que la pressió que actuï sigui l'atmosfèrica.
2. Mentre dura el canvi d’estat, la temperatura no varia. Si observem el que succeeix en escalfar l’aigua en un recipient obert, per tant a pressió atmosfèrica, veiem que la temperatura augmenta progressivament fins a arribar als 100 ºC. A partir d’aquest moment, tot el calor que seguim afegint s’utilitza per al canvi d’estat, en aquest cas la vaporització d’aigua, sense que augmenti la temperatura.

Lleis de canvi d’estat de les mescles

En el cas de les mescles es compleixen altres lleis. Només farem referència a les mescles binàries, com la mescla aigua-metanol.

Donat que en la destil·lació únicament intervenen la vaporització i la condensació, solament mencionarem aquests canvis d’estat.

1. La temperatura d’ebullició d’una mescla està compresa entre les d’ebullició dels seus components més lleuger i més pesat (llevat dels azeòtrops).

El component lleuger d’una mescla és el que té un punt d’ebullició més baix, essent el component pesat aquell que té un punt d’ebullició més alt.

En el nostre cas, el metanol és el component lleuger de la mescla i l’aigua el component pesat.

Azeòtrop s’anomena a la mescla de dos o més líquids que a una determinada pressió té un punt d’ebullició constant i vaporitza sense canviar-ne la composició, és a dir, mantenint la mateixa composició en el vapor i en el líquid. En aquestes mescles, al variar la pressió no solament varia el punt d’ebullició sinó també la composició. La temperatura d’ebullició pot ser inferior a la del component més lleuger o superior a la del component més pesat.

Destil·lació discontinua

En aquesta operació s’introdueix una càrrega d’alimentació en un recipient (alambí) i a continuació s’eleva la temperatura fins que la mescla comença a bullir. Els vapors obtinguts a la part alta (cap) de l’alambí, més rics en component lleuger, es condensen, obtenint-se un producte “enriquit” respecte la mescla inicial d’alimentació.

Una vegada la mescla ha assolit la temperatura desitjada, el que significa haver aconseguit un “empobriment” de l’alimentació, es para el procés i es buida el que queda, el residu.

Amb la repetició d’aquest procés, s’obté, de manera discontínua, un producte enriquit per cap i un altre empobrit per fons.

Es considera enriquiment l’augment de concentració de producte lleuger i empobriment a la disminució.

Enriquiment progressiu

Si volem assolir una concentració elevada del producte lleuger, destil·lem de nou el producte obtingut per cap, aconseguint-se a base de successives destil·lacions, un enriquiment progressiu del producte.

Destil·lació contínua

La gran majoria dels processos de fabricació són continus, això significa que les matèries primeres s’introdueixen al procés de manera contínua i els productes acabats s’obtenen, també, contínuament.

Amb això, s’aconsegueixen avantatges, com major rendiment de les instal·lacions, més productivitat i major uniformitat dels productes obtinguts, ja que les condicions del procés es mantenen estables i sense variacions.

Un procés continu de destil·lació ens permet obtenir un producte d’una determinada composició de forma contínua, partint d’un producte de composició també uniforme i d’unes condicions d’operació estables.

Columnes reals

Una columna de destil·lació és un conjunt de plats, col·locats un damunt de l’altre, a una certa distància, amb algun sistema simple que permeti el pas dels vapors en sentit ascendent mentre que impedeix o dificulta el pas del líquid en sentit descendent, si no és per un sobreeixidor. A cada plat hi ha líquid en ebullició, amb una composició diferent i per tant a una temperatura diferent.

Els vapors que es desprenen a cada plat, més rics que el líquid en component lleuger, ascendeixen i passen al plat superior, bombollejant a través del líquid al qual escalfen, evaporant-se el component més lleuger del líquid a canvi de condensar el més pesat del vapor. Això produeix un enriquiment dels vapors en aquest segon plat, els quals a la seva vegada repeteixen el mateix procés en un altre plat superior.

S’anomena azeòtrop a la mescla de dos o més líquids que a una determinada pressió té una temperatura d’ebullició constant, comportant-se com si fos un element pur i destil·lant sense canvi de composició entre el líquid i el vapor. Si varia la pressió, varia la temperatura d’ebullició i també la seva composició.

Bàsicament existeixen dos tipus d’azeòtrops: superior i inferior.

Es parla d’azeòtrop superior d’una mescla quan el seu punt d’ebullició és superior al de l’element més pesat de la mescla i azeòtrop inferior al que té un punt d’ebullició inferior al de l’element més lleuger.