destylacja

Destylacja – proces fizykochemiczny polegający na rozdziale mieszaniny ciekłych substancji chemicznych wykorzystujący różnice w temperaturze wrzenia jej poszczególnych składników. Destylacja składa się z czterech głównych etapów – ogrzewania cieczy do momentu wrzenia w kolbie destylacyjnej, odprowadzenia pary (tzw. odparowania), skroplenia (kondensacji) pary w wyniku jej ochłodzenia w skraplaczu oraz zebrania skroplonej cieczy (tzw. destylatu) w kolbie odbiorczej. Wyróżnia się cztery podstawowe rodzaje destylacji – destylację prostą wykorzystywaną do rozdzielania składników mieszaniny różniących się temperaturą wrzenia bądź oddzielania cieczy od nielotnych olejów lub ciał stałychciepło oraz destylację frakcjonowaną służącą do rozdziału składników mieszaniny o zbliżonych temperaturach wrzenia. Destylacja jest stosowana w praktyce laboratoryjnej i wielu gałęziach przemysłu (np. przemyśle chemicznym, naftowym, farmaceutycznym, spożywczym, spirytusowym).

Mechanizm procesu destylacji

Destylacja (łac. destillatio – ściekanie kroplami, skraplanie) jest procesem fizykochemicznym polegającym na rozdziale mieszaniny ciekłych substancji chemicznych na podstawie różnych temperatur wrzenia jej poszczególnych składników, czyli różnicy w ich lotności względnej. Destylacja umożliwia również oddzielenie niektórych ciekłych substancji chemicznych od nielotnych zanieczyszczeń (np. olejów i ciał stałych) (np. otrzymywanie wody destylowanej). Destylacja nigdy nie jest prowadzona „do sucha”; w kolbie destylacyjnej zawsze pozostaje pewna ilość trudno lotnych i nielotnych zanieczyszczeń (tzw. ciecz wyczerpana, pogon).

Destylacja składa się z czterech głównych etapów:

• ogrzewanie ciekłej mieszaniny substancji chemicznych w kolbie destylacyjnej do momentu wrzenia, czyli osiągnięcia równowagi między ciśnieniem (prężnością) pary nasyconej danej substancji i ciśnieniem panującym w otoczeniu;
• odprowadzenie pary unoszącej się nad powierzchnią ciekłej mieszaniny z kolby destylacyjnej do chłodnicy destylacyjnej (tzw. odparowanie) w celu jej schłodzenia oraz ponownej przemiany do stanu ciekłego (skroplenia);
• skroplenie (kondensacja) pary zbierającej się w chłodnicy destylacyjnej (skraplaczu) prowadzące do powstania głównego produktu destylacji, czyli skropliny (destylatu) zawierającej określony składnik mieszaniny;
• spływanie kropli otrzymanego destylatu z chłodnicy destylacyjnej i ich gromadzenie się w specjalnym naczyniu, tzw. kolbie odbiorczej (odbieralniku) ustawionej przy wylocie aparatu destylacyjnego.

Destylacja może być prowadzona w trybie wsadowym z wielokrotnym uzupełnianiem kolby destylacyjnej próbkami ciekłej mieszaniny, ich rozdzielaniem i usuwaniem nieodparowanych pozostałości (tzw. destylacja okresowa) bądź polega na nieustannym uzupełnianiu kolby destylacyjnej próbkami ciekłej mieszaniny i usuwaniu otrzymanych destylatów z odbiornika przy stałej obecności pozostałości podestylacyjnych (tzw. destylacja ciągła).

Aparatura do destylacji

Destylacja ciekłej mieszaniny substancji chemicznych prowadzona jest z wykorzystaniem specjalnej aparatury destylacyjnej (tzw. destylatora), który umożliwia jej podgrzewanie do selektywnego wrzenia, chłodzenie w celu kondensacji (skroplenia) pary danego składnika oraz odbieranie otrzymanego destylatu z naczynia odbiorczego. 

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje destylatorów:

• destylatory proste – destylatory składające się z kolby okrągłodennej z nasadką destylacyjną lub specjalnej kolby destylacyjnej, termometru, chłodnicy destylacyjnej (tzw. skraplacza), kolby odbiorczej (tzw. odbieralnika) oraz urządzenia do ogrzewania kolby destylacyjnej;
• destylatory kolumnowe – destylatory składające się z kolby destylacyjnej, kolumny destylacyjnej wyposażonej w półki dzwonowe lub sitowe (kolumny półkowe) bądź wypełnienie (pierścienie Raschiga) (kolumny z wypełnieniem), głowicy destylacyjnej, termometru, chłodnicy destylacyjnej, odbieralnika oraz urządzenia grzewczego. 

Efektywność destylacji może być zwiększona za pośrednictwem deflegmatorów (skraplaczy częściowych), w których następuje częściowa kondensacja par poszczególnych składników mieszaniny. Skroplone pary (tzw. flegma) o wyższym stężeniu mniej lotnego składnika kierowane są ponownie do kolby destylacyjnej (destylatory proste) bądź najwyższą półkę kolumny (destylatory kolumnowe). Pozostała część par o wyższym stężeniu bardziej lotnego składnika odprowadzana jest do chłodnicy i w postaci destylatu spływa do kolby odbiorczej.

Rodzaje destylacji

Proces destylacji są zróżnicowanymi metodami oczyszczania i rozdzielania poszczególnych składników ciekłych mieszanin wykorzystującymi określone rodzaje aparatury destylacyjnej w zależności od temperatury wrzenia i innych właściwości fizykochemicznych wchodzących w ich skład substancji chemicznych (np. wrażliwości na wysoką temperaturę ogrzewania).

Wyróżnia się cztery podstawowe rodzaje destylacji:

• destylacja prosta (destylacja różniczkowa, destylacja kotłowa) – proces zachodzący pod ciśnieniem atmosferycznym, polegający na jednorazowym odparowaniu ciekłej mieszaniny, kondensacji jej pary w skraplaczu i odprowadzeniu destylatu do kolby odbiorczej; używana do rozdziału składników mieszaniny różniących się temperaturą wrzenia lub oczyszczania cieczy z nielotnych zanieczyszczeń (np. olejów, ciał stałych); wykorzystywana powszechnie w praktyce laboratoryjnej;
• destylacja próżniowa (destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem) – proces zachodzący pod obniżonym ciśnieniem (i obniżonej temperaturze wrzenia destylowanej cieczy), cechujący się przebiegiem zbliżonym do destylacji prostej; używana do rozdziału składników mieszaniny o wysokich temperaturach wrzenia lub składników podatnych na rozkład termiczny pod wpływem wysokiej temperatury ogrzewania; prowadzona w dwuszyjnych kolbach Claissena w celach laboratoryjnych lub przemysłowych;
• destylacja parowa (destylacja z parą wodną) – proces zachodzący pod wpływem nasyconej lub przegrzanej pary wodnej dostarczanej do mieszaniny, przy obniżonej temperaturze wrzenia destylowanej cieczy; używana do rozdzielania składników wrażliwych na ciepło, nierozpuszczalnych w wodzie i wykazujących lotność z parą wodną; prowadzi do uzyskania destylatu złożonego z fazy wodnej i fazy organicznej; wykorzystywana m.in. w preparatyce chemicznej i produkcji olejków eterycznych
• destylacja frakcjonowana (destylacja frakcyjna, rektyfikacja) – proces zachodzący na kolumnach destylacyjnych (rektyfikacyjnych) polegający na wielokrotnym mieszaniu się par substancji destylowanej (unoszącej się ku górze kolumny) i cieczy zawierającej składniki lotne (spływającej w dół kolumny); zapewniający wysoką czystość rozdziału składników mieszaniny o zbliżonych temperaturach wrzenia; stosowana w różnych gałęziach przemysłu (np. przemyśle naftowym, chemicznym, spirytusowym).

Rozdział substancji wyjątkowo wrażliwych na wysoką temperaturę przeprowadza się również za pomocą destylacji cząsteczkowej (molekularnej) przebiegającej bez udziału wrzenia przy niskiej temperaturze i ciśnieniu (próżni). Rozdział substancji o zbliżonych temperaturach wrzenia odbywa się za pomocą czynników rozdzielających zwiększających różnice lotności pomiędzy składnikami mieszaniny (np. destylacja ekstrakcyjna, destylacja azeotropowa).

Zastosowania destylacji

Destylacja jest procesem powszechnie wykorzystywanym w praktyce laboratoryjnej oraz licznych gałęziach przemysłu (np. przemyśle chemicznym, naftowym, farmaceutycznym, spożywczym, spirytusowym, przetwórstwie gazu ziemnego).

Główne zastosowania destylacji obejmują:

• oczyszczanie wybranych składników mieszaniny z mniej lotnych lub nielotnych substancji niepożądanych, np. zanieczyszczeń, produktów ubocznych syntezy chemicznej (odsalanie wody morskiej, oczyszczanie cynku z zanieczyszczeń innymi metalami
• otrzymywanie benzyny (lekkiej i ciężkiej), nafty, oleju gazowego) (destylacja frakcyjna ropy naftowej w warunkach ciśnienia atmosferycznego); oleju napędowego, oleju opałowego i oleju smarowego (destylacja próżniowa ropy naftowej) i pozostałości podestylacyjnych (np. mazutu, asfaltu, olejów smarowych, mas bitumicznych);
• pozyskiwanie gazów atmosferycznych (azotu, tlenu, argonu, kryptonu, ksenonu) do celów przemysłowych (destylacja frakcyjna skroplonego powietrza
• produkcja wysokoprocentowych napojów alkoholowych (np. wódki, likiery, nalewki, whisky) i spirytusów destylowanych (destylacja produktów fermentacji alkoholowej surowców węglowodanowych, np. ziemniaków, zboża, owoców
• pozyskiwanie olejków eterycznych wykorzystywanych w przemyśle farmaceutycznym (produkcja leków naturalnych), spożywczym (składniki smakowe i zapachowe) oraz kosmetycznym (perfumy) (destylacja z parą wodna roślin olejkodajnych);
• otrzymywanie aromatów soków owocowych i koncentratów witaminowych do celów spożywczych i leczniczych (destylacja cząsteczkowa).

Oczyszczanie i rozdzielanie ciekłych mieszanin w laboratoriach chemicznych przeprowadza się z wykorzystaniem metod destylacji okresowej (np. destylacja prosta); wielkoskalowe procesy przemysłowe oparte są głównie na destylacji ciągłej (np. destylacji frakcyjnej).