Colonna di distillazione a piatti

La colonna di distillazione a piatti è utilizzata per trasformazioni fisiche in cui è necessario mettere in contatto una fase liquida con una gassosa. La distillazione è una tecnica già nota agli alchimisti ma fu solo all”inizio del XIX secolo che furono sviluppate le basi delle tecniche moderne e nel 1877 il chimico belga Ernest Solvay ottenne un brevetto statunitense per una colonna di distillazione a piatti.

distillazione frazionata
distillazione frazionata

La distillazione frazionata è la tecnica di distillazione più largamente sfruttata perché permette di separare i componenti in maniera pressoché completa. La  distillazione frazionata è condotta generalmente in maniera continua in colonne a piatti.

In una colonna di distillazione a piatti su ciascun piatto ha luogo un contatto tra il vapore che sale dal piatto inferiore e il liquido presente sul piatto stesso. Il liquido percorre trasversalmente il piatto e quindi discende superando lo stramazzo di un troppo pieno, attraverso un condotto nel piatto inferiore.

Principio

Il vapore che sale in controcorrente è fatto gorgogliare nel liquido. Il contatto tra liquido e solido che si realizza su ciascun piatto permette lo scambio tra i componenti più volatili che si accumulano nella fase vapore e i meno volatili si accumulano nella fase liquida. Tale processo può essere esemplificato anche assumendo che su ogni piatto abbia luogo una condensazione adiabatica del vapore che proviene dal piatto inferiore e una parziale evaporazione del liquido in esso presente che proviene dal piatto superiore.

Colonna di distillazione a piatti
Colonna di distillazione a piatti

Nel processo descritto tenderanno a evaporare i componenti più volatili e a condensare quelli meno volatili. Il gorgogliamento del vapore attraverso lo strato di liquido presente nel piatto può aver luogo in conseguenza di un flusso del vapore attraverso una serie di fori esistenti sulla superficie del piatto.

Ovviamente per impedire che il liquido discenda dai fori è necessario che la velocità del vapore sia superiore a un certo valore limite. La dispersione del vapore nel liquido di un piatto può essere realizzata anche mediante opportuni dispositivi quali le campanelle o le valvole il cui diaframma mobile viene sollevato dal flusso gassoso e la sua posizione dipende dalla velocità di flusso dello stesso vapore: a flusso nullo è completamente abbassato mentre a flusso elevato risulta completamente alzato.

 

Velocità del vapore in una colonna di distillazione a piatti

La velocità del vapore in una colonna di distillazione a piatti costituisce un fattore di notevole importanza per caratterizzare il funzionamento della colonna stessa. Valori elevati di tale velocità, infatti, contribuiscono ad agevolare i processi di trasporto di materia che hanno luogo sui piatti.

D’altra parte valori elevati di velocità di vapore comportano un trascinamento da parte dello stesso di goccioline di liquido. Pertanto la velocità che si deve attribuire ai vapori deve essere la più elevata possibile  compatibilmente con un modesto trascinamento del liquido da un piatto a quello ad esso superiore. Tale velocità può essere valutata da una relazione del tipo seguente:

u = Kv √ρl–  ρv/ ρv

essendo ρl e  ρv le densità del liquido e del vapore e Kv una costante dipendente dall’altezza del liquido sul piatto e dalla distanza tra i piatti.

Dal valore di u si può calcolare la sezione della colonna, e quindi il suo diametro, dal rapporto tra la portata volumetrica del vapore e la sua velocità lineare. Il vapore, che esce dalla sommità della colonna, è condensato attraverso uno scambiatore di calore percorso internamente da acqua.

piatti
piatti

Parte del liquido condensato costituisce il prodotto di testa e una parte, detta riflusso, è rinviata nella colonna. Il riflusso garantisce la discesa di un flusso di liquido in controcorrente al vapore che sale lungo la colonna. Così  è così garantito lo scambio di materia. Il liquido che scende dalla base della colonna viene parzialmente vaporizzato in una caldaia percorsa da un fluido ad alta temperatura mentre una parte viene prelevata quale prodotto di coda.

L’alimentazione è effettuata su un opportuno piatto; la parte di colonna al di sopra del piatto di alimentazione è chiamata sezione di rettifica; quella al di sotto sezione di esaurimento

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