Operații Unitare

Tema de proiectare constă în calculul şi dimensionarea unei instalaţii de separare prin distilare a amestecului binar etanol-apă.

Introducere

Prin distilare se înţelege, totalitatea modalităţilor de separare a componentelor unui amestec lichid omogen bazate pe diferenţa dintre temperaturile de fierbere ale componenţilor, temperaturi cărora le corespund şi presiuni de vapori diferite.

Distilarea se realizeaza industrial într-o mare varietate de moduri de operare:

- distilarea simplă;

- distilare fracţionată;

- antrenare cu vapori;

- rectificare;

- distilare azeotropă;

- distilare moleculară.

Prin distilare simplă se lucrează în industria băuturilor, în timp ce rectificarea şi fracţionarea se aplică în industria spirtului.

În procesul de distilare şi rectificare, separarea şi condiţiile separării depind de relaţiile dintre faza lichidă şi faza de vapori a sistemului caracterizat prin echilibrul lichid-vapori.

Distilarea azeotropă este una dintre operaţiile frecvent întâlnite în industria fermentativă. De fapt rectificarea este o distilare azeotropă care face posibil, în condiţii economice, unele separări care, prin distilare obişnuită, sunt imposibil de realizat.

Principiul distilării azeotrope este mărirea volatilităţii relative a componentelor care trebuie separate prin adăugarea unei substanţe lichide adecvate în coloana de rectificare (antrenant). Antrenantul se elimina din coloana ca amestec în una din fracţiunile de distilare şi apoi este recuperat pentru a fi din nou utilizat.

Prin rectificarea obişnuită a amestecului etanol-apa, se obţine alcool etilic cu concentraţia maximum de 95,5% masa sau 97,2% volum, datorită fenomenului de azeotropie. La aceasta concentraţie se formeaza un amestec binar care se comporta ca o substanţă pură, distilând la o temperatură de 78,15oC.

Consideraţii teoretice

Distilarea si rectificarea

Prin distilare se înţelege, în sens larg, totalitatea modalităţilor de separare a componentelor unui amestec lichid omogen bazate pe diferenţa dintre temperaturile de fierbere ale constituienţilor, temperaturi cărora le corespund şi presiuni de vapori diferite. La temperatura de fierbere a amestecului, componentele mai volatile vor avea presiuni de vapori mai mari şi, deci se vor găsi în faza de vapori în concentraţii mai mari decât în faza din care au provenit.

Vaporii astfel îmbogăţiţi, prin condensare formează distilatul, iar lichidul, condiţionând componentele greu volatile - reziduul.

Distilarea este o operaţie dublă, de fierbere parţială a amestecului şi de condensare a vaporilor formaţi.

În scopul atingerii unor separări mai avansate, succesiunea fierbere-condensare se repeta în utilaje de contactare în trepte sau diferenţială, relizându-se astfel operaţia de rectificare.

Distilarea şi rectificarea îşi găsesc aplicaţii în industria fermentativa pentru obţinerea de băuturilor alcoolice naturale tari şi a spirtului.

Produsele supuse operaţiilor de distilare, recificare şi fracţionare din industria fermentativă sunt amestecuri cu mai multe componente, componentele de calcul fiind alcoolul etilic şi apa. Atât alcoolul etilic cu apa, cât şi alte componente cu apă, dau amestecuri homoazeotrope şi heteroazeotrope. Datorită acestei caracteristici, prin metodele obişnuite de distilare, rectificare şi fracţionare, în industria spirtului nu se poate obţine alcoolul etilic absolut, ci un amestec cu concentratia maxima a amestecului azeotrop (95,57% alcool). Pentru obţinerea unei concentraţii mai mari, sau a alcoolului absolut, trebuie să se aplice metode speciale (distilare azeotropă cu amestec ternar: benzen-alcool etilic-apa sau eliminarea apei sub substante higroscopice).

Distilarea simplă sau diferenţială

Distilarea simplă sau diferenţială este o operaţie discontinuă care se execută fierbând o cantitate de amestec iniţial şi eliminând vaporii din fiebător pe masură ce ei se formează; vaporii sunt condensaţi într-un condensator. Condesatorul reprezintă distilatul (fracţiunea uşoara), iar lichidul rămas în fierbător când se întrerupe distilarea, este mai concentrat în componentul sau componenţii grei ai amestecului iniţial.

În distilarile obişnuite condiţiile distilării simple nu sunt indepartate riguros din cauza că totdeauna exista o condensare parţiala a vaporilor în părţile superioare mai reci ale fierbătorului.

O variantă a distilării simple este distilarea fracţionată în care porţiunile de distilat sunt culese separat; primele porţiuni - frunţile de distilare - mai bogate în componenţi mai volatili decât ultimile portiuni - de distilare.

Ecuaţia distilării simple continue:

unde:

Li - cantitatea iniţială de amestec în blaz, mol;

Lf - cantitatea finală de amestec rămasa în blaz, mol;

e - grad molar de distilare;

La - debitul de amestec, cu compoziţia xi, mol/s;

Cazuri limita: La=0, deci 1/e=0;

La=1, deci e=0.

Prin rezolvarea grafică a ultimei ecuaţii se poate obţine durata operării pentru acest caz, dacă se cunoaste xi si xf (concentraţia iniţială şi finală a lichidului din blaz).

Debitul de distilat, mol/s, pentru La=1 mol.