Definition and meaning of Distillazione

La distillazione^[1] è una tecnica di separazione che sfrutta la differenza dei punti di ebollizione delle diverse sostanze presenti in una miscela. È usata sia per separare miscele complesse che per purificare sostanze.

È una tecnica nota sin dal Medioevo, applicata principalmente alla produzione di bevande alcoliche. Oggi trova applicazione in numerosi processi chimici, tra cui la separazione del petrolio greggio nei suoi diversi componenti (detta "topping").

  Cenni storici

  Alambicco per la distillazione.

  Piatto di distillazione "a campanelle" (1904).

Secondo lo scrittore Sinesio di Cirene già nel 4000 a.C. gli egiziani distillavano il vino e il sidro per produrre altre bevande alcoliche^[2] (liquori e acquaviti).

In Cina, intorno al 2000 a.C., attraverso la distillazione di piante officinali venivano ottenute essenze che erano utilizzate soprattutto dalle classi più ricche.^[3]

Scavi archeologici in Pakistan hanno messo alla luce che la tecnica della distillazione dell'alcol era già nota alle popolazioni mesopotamiche nel 500 a.C., ma il suo uso divenne comune tra il 150 a.C. e il 350 d.C.^[4], anche tra gli alchimisti greci^[5][6][7].

Secondo K. B. Hoffmann si inizia a parlare di destillatio per descensum nel 400 d.C. circa, per opera di un fisico greco di nome Aezio. Ipazia invece inventò una tra le prime apparecchiature per la distillazione^[8].

Nel'VIII secolo d.C. i chimici Arabi e Persiani (tra cui Giabir ibn Hayyan) isolavano e purificavano le sostanze chimiche tramite distillazione a scopi industriali, ad esempio per isolare gli esteri naturali (utilizzati in profumeria) e per produrre alcool puro.^[9] In particolare, la produzione di alcool per distillazione si deve al chimico arabo Al-Kindi.^[10]

Nel IX secolo d.C. il chimico persiano Rhazes distillò per la prima volta il petrolio, ottenendo cherosene.^[11] Nell'XI secolo Avicenna otteneva olio essenziale con il metodo della distillazione in corrente di vapore.^[12]

La distillazione fu introdotta nell'Europa medioevale nel XII secolo attraverso la traduzione dei trattati di chimica arabi. Nel 1500 l'alchimista tedesco Hieronymus Braunschweig pubblica Liber de arte destillandi,^[13] a cui segue nel 1651 lo scritto di John French intitolato The Art of Distillation.^[14]

Nel XIX secolo furono introdotte le tecniche del preriscaldamento e del riciclo.^[15]

Al 1830 risale un brevetto di Aeneas Coffey per una colonna di distillazione per la produzione di whiskey.^[16] Al 1877 risale un brevetto americano di Ernest Solvay di una colonna a piatti per la distillazione dell'ammoniaca.^[17]

Nel 1925 fu presentato un metodo grafico per il dimensionamento delle colonne di distillazione, noto come metodo di McCabe-Thiele. Nel 1932 fu poi sviluppata l'equazione di Fenske^[18], che permette di stimare in maniera analitica il numero di piatti di una colonna di distillazione e il rapporto di riflusso.

  Modalità operative

  Distillazione flash

Per approfondire, vedi la voce Evaporazione flash.

La modalità operativa più semplice per distillare una miscela è la distillazione flash (anche detta "evaporazione flash" o "evaporazione parziale").

Tale metodologia consiste nella vaporizzazione parziale della miscela da trattare, in un singolo stadio e senza riflusso.^[19]

  Distillazione in continuo e batch

  Schema di un processo di distillazione batch

Il processo di distillazione può avvenire in continuo o in batch:^[19] nel primo caso la miscela da trattare viene alimentata continuamente durante lo svolgimento del processo, mentre nel secondo caso la miscela da trattare viene caricata nell'apparecchiatura prima di iniziare il processo.

Nella distillazione in continuo le composizioni delle correnti in uscita dalla colonna si mantengono costanti durante tutto il processo, mentre nella distillazione batch tali composizioni variano nel tempo.^[20]

In genere la distillazione batch viene svolta in laboratorio o in piccoli impianti,^[21] mentre su larga scala si preferisce svolgere la distillazione in continuo.

  Distillazione con riflusso

  Schema della parte alta di una colonna di distillazione con riflusso.

Nel caso in cui si voglia ottenere una maggiore purezza delle miscele prodotte durante la distillazione, la corrente in uscita dalla parte alta della colonna (detta "testa" della colonna) viene "riflussata", cioè una parte di tale corrente viene reimmessa all'interno della colonna di distillazione.

Il rapporto di riflusso R viene definito come il rapporto tra la portata molare di liquido L che scorre all'interno della parte alta della colonna (detta "zona di arricchimento") e la portata molare di liquido D ottenuto in testa (detto "distillato"):^[22]

R = L/D

All'aumentare del rapporto di riflusso le prestazioni della colonna migliorano, per cui, nel caso si utilizzi una colonna a piatti, il numero di piatti da utilizzare diminuisce. Esiste un limite minimo del rapporto di riflusso, in corrispondenza del quale il numero di piatti diventa infinito (cioè la separazione non è praticamente possibile): tale limite viene detto "rapporto di riflusso minimo",^[23] ed è determinabile graficamente attraverso il Metodo di McCabe-Thiele.

  Trattamento termodinamico della distillazione

Supponiamo di distillare una soluzione costituita dagli elementi A e B. La soluzione, ideale, obbedirà alla legge di Raoult:

p = Χ_Asp_A* + Χ_Bsp_B* = Χ_Avp + Χ_Bvp = p_A + p_B

Stabiliamo che sia A il componente più volatile. Il vapore sarà quindi costituito quasi esclusivamente da A. Possiamo esprimere quindi l’equazione di Raoult in funzione di Χ_As (cioè in funzione della frazione molare di A in soluzione), o in funzione di Χ_Av (cioè in funzione della frazione molare di A in fase vapore). Prima però si noti che:

Χ_As = Χ_Avp / p_A* e che Χ_Av = Χ_Asp_A* / p

A questo punto, tenendo presente che in una soluzione o comunque in un sistema qualunque formato da componenti i-esimi Σ_ιΧ_ι = 1, potremo scrivere che p(Χ_As) sarà

p = Χ_Asp_A* + ( 1- Χ_As ) p_B*

e che p(Χ_Av) sarà data da

p = Χ_Asp_A* / Χ_Av.

  Tecniche di laboratorio

Per approfondire, vedi la voce colonna di Vigreux.

  Apparecchiatura da laboratorio per la distillazione.

A livello di laboratorio, la distillazione viene condotta utilizzando un becco Bunsen con cui scaldare la miscela da separare, un tubo refrigerante in cui i vapori che si separano dalla miscela bollente vengono raffreddati, un tubo di carico e scarico dell'acqua per refrigerare il distillato, un pallone per contenere il liquido da distillare, delle sferette di vetro per non portare il miscuglio da distillare a ebollizione tanto elevata da fare cadere il miscuglio nel tubo refrigerante senza essere distillato ed un contenitore per la raccolta dei vapori condensati, arricchiti delle sostanze aventi punto di ebollizione inferiore. Un dispositivo di questo genere si chiama alambicco e la sua invenzione è attribuita al chimico islamico Jabir ibn Hayyan, tra l'VIII secolo ed il IX secolo.

La colonna di rettifica^[24] in vetro utilizzata nelle applicazioni di laboratorio è chiamata colonna di Vigreux.

  Tecniche industriali

Per approfondire, vedi la voce Colonna di distillazione.

A livello industriale si ricorre invece alla distillazione frazionata, più efficace nel separare prodotti aventi punti di ebollizione vicini. Si basa sull'esistenza di un gradiente di temperatura all'interno della colonna di distillazione, che quasi sempre è di forma cilindrica. Per aumentare l'interfaccia di scambio tra le fasi, e quindi la velocità di separazione dei componenti della miscela, la colonna di distillazione viene riempita con piatti forati equidistanti (e in questo caso si parla di colonna a piatti) oppure con blocchetti di materiale (anche chiamata colonna a corpi di riempimento) inerte alle sostanze trattate. La tecnologia ha portato alla creazione dei corpi di riempimento strutturati. A diverse altezze della colonna, condensano le diverse sostanze, in funzione del loro punto di ebollizione (o in altre parole della loro diversa volatilità). Maggiore è l'altezza della colonna ed il gradiente di temperatura che si instaura lungo la sua altezza, più efficiente è la separazione delle sostanze.

Sostanze con temperatura di ebollizione eccessivamente elevata a pressione atmosferica, o che si decomporrebbero a tale temperatura, possono essere sottoposte a distillazione sottovuoto, utilizzando una temperatura sensibilmente minore. Allo stesso modo sostanze instabili per riscaldamento diretto, o che potrebbero alterare le loro caratteristiche peculiari, vengono convenientemente sottoposte a distillazione in corrente di vapore: il riscaldamento viene effettuato indirettamente, sfruttando l'entalpia del vapor d'acqua; in questo modo si ottengono miscele contenente due fasi diverse, normalmente una organica e l'altra acquosa, facilmente separabili. Questi due varianti della distillazione classica trovano ampio uso in chimica organica e biochimica.

In condizioni ideali (ossia in assenza di interazione chimica tra le molecole delle diverse sostanze della miscela) la distillazione può essere usata per portare ad una completa separazione dei diversi componenti. In condizioni non ideali i diversi componenti della miscela possono invece formare un azeotropo, più difficile da separare rispetto ad un normale sistema bifasico.

  Applicazioni industriali

  Un impianto di distillazione a doppio effetto per recupero di solvente.

La distillazione rappresenta la prima fase della raffinazione del petrolio greggio. Il petrolio inizia a vaporizzare a una temperatura leggermente inferiore ai 100 °C: prima si separano gli idrocarburi a più basso peso molecolare, mentre per distillare quelli aventi molecole a peso molecolare più alto sono necessarie temperature superiori. Il primo materiale che si estrae dal petrolio greggio sono i gas incondensabili, come l'idrogeno, il metano e l'etano; successivamente si estrae la parte dei gas di petrolio liquefatti (GPL), poi la frazione destinata a diventare benzina, seguita dal cherosene e dal gasolio. Nelle vecchie raffinerie, il rimanente veniva trattato con soda caustica o potassa caustica e con acido solforico, e quindi distillato in corrente di vapore, ottenendo oli combustibili e oli lubrificanti dalla parte superiore della colonna di distillazione, e paraffina solida e asfalto da quella inferiore.

Un'altra applicazione industriale è rappresentata dalla produzione delle acqueviti.

  Note

  Bibliografia

• Robert H. Perry; Don W. Green, James O. Maloney, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7^a ed. (in inglese), McGraw-Hill, 1997. ISBN 0070498415
• Warren Lee McCabe; Julian Cleveland Smith, Peter Harriott, Unit operations of chemical engineering, 6^a ed. (in inglese), McGraw Hill, 2001. ISBN 0070393664
• Fare vino e distillati, Giunti Editore, 2003. ISBN 8844027348
• Colin Archibald Russell, Chemistry, Society and Environment: A New History of the British Chemical Industry (in inglese), Royal Society of Chemistry, 2000. ISBN 0854045996
• Edgar Ashworth Underwood, Science, medicine, and history: essays on the evolution of scientific thought and medical practice written in honour of Charles Singer (in inglese), Oxford University Press, 1953.
• Charles Simmonds, Alcohol: With Chapters on Methyl Alcohol, Fusel Oil, and Spirituous Beverages (in inglese), Macmillan and Co. Ltd, 1919.
• Joan Solomon; Peter Horsfall, Michael Reiss, Pat O'Brien, Ruth Hughes, Science Web Reader: Biology (in inglese), Nelson Thornes, 2000. ISBN 0174387377
• Robert Briffault, The Making of Humanity (in inglese), General Books, 2009. ISBN 1150627344
• Kasem Ajram, The miracle of Islamic science (in inglese), Knowledge House Publishers, 1992. ISBN 0911119434
• William F. Furter; American Chemical Society, A Century of chemical engineering (in inglese), Plenum Press, 1982. ISBN 0306408953
• Wolf, A., G.A. Bray, B.M. Popkin (marzo 2008). A short history of beverages and how our body treats them. Obesity Reviews 9 (2): 151-164  (in inglese). DOI:10.1111/j.1467-789X.2007.00389.x.
• Fenske, M.R. (maggio 1932). Fractionation of Straight-Run Pennsylvania Gasoline. Industrial & Engineering Chemistry 24 (5): 482–485  (in inglese). DOI:10.1021/ie50269a003.

  Voci correlate

  Altri progetti

• Wikibooks contiene testi o manuali su Distillazione
• Commons contiene file multimediali su Distillazione
• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «Distillazione»

  Collegamenti esterni

• Processi di distillazione - Fondamenti
• Processi di distillazione - Distillazione atmosferica del greggio
• Software calcolo colonne distillazione
• Calcolo colonne distillazione in Excel e Matlab
• Ahmad Y Hassan. Alcohol and the Distillation of Wine in Arabic Sources in History of Science and Technology in Islam. URL consultato in data 29 marzo 2008.

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