A destilação é um método usado há vários séculos.
Na idade média, por volta do ano 800 D.C, surgiam os primeiros estudos científicos documentados sobre ela, através de um alquimista chamado Jabir Ibn Hayyan.
Este alquimista inventou o chamado alambique, que é um equipamento usado até hoje em destilações, como por exemplo, cachaça.
A destilação é um método de separação baseado no equilíbrio líquido-vapor das substâncias, para isso, usamos a diferença de volatilidade.
Com o passar dos anos, os estudos sobre essa metodologia foram sendo aperfeiçoados, os alambiques tradicionais foram substituídos por aparelhagens novas e mais sofisticadas, tendo este processo imensa importância, como exemplo, no processo de refino do petróleo.
Destilação em Alambique. Fonte: Wikimedia.
O que é destilação?
A destilação constitui um dos processos mais eficientes e baratos para purificação e/ou separação de líquidos.
É um método de separação físico que que baseia no equilíbrio líquido-vapor de misturas homogêneas, por meio, da diferença de volatilidade entre os componentes dessa mistura em questão, no caso, a dificuldade na separação é decorrente da diferença entre os pontos de ebulição (volatilidade relativa dos componentes da mistura).
De forma simples, separa componentes de misturas homogêneas que tenham um líquido com sólido, ou somente líquidos em sua composição por meio do aquecimento, ou seja, consiste na vaporização do líquido no seu ponto de ebulição (temperatura para se passar do estado líquido ao gasoso), acompanhado de condensação desse vapor em outro recipiente.
O líquido só entra em ebulição quando sua pressão de vapor se igualar à pressão atmosférica.
Relembrando….
- Vaporização – modificar um líquido em um vapor.
- Condensação – modificar um vapor em um líquido.
Para separar uma mistura do tipo sólido-líquido é usada a destilação simples.
Já para separação de misturas líquido-líquido usamos a destilação fracionada.
Veremos a seguir, detalhadamente esses dois tipos de destilação.
Destilação simples
É o tipo de destilação usado para separar os componentes de uma mistura homogênea (aquela que possui uma única fase) que apresenta um sólido (soluto) dissolvido em um líquido (solvente), por exemplo, sal (cloreto de sódio – NaCl) dissolvido em água (H2O). A destilação é o principal método para purificação de um líquido.
Na destilação simples, ocorre a vaporização do líquido no seu ponto de ebulição e posteriormente, a condensação desse vapor em outro recipiente, ou seja, através do aquecimento ocorre a vaporização do solvente presente na mistura, permitindo a quantificação do resíduo sólido, numa balança analítica com precisão, após completa vaporização do líquido.
Emprega-se a destilação simples quando se deseja separar dois ou mais líquidos que tenham uma alta diferença entre seus pontos de ebulição (superior a 80 ºC), ou separar um componente mais volátil de uma solução em que os solutos são líquidos com ponto de ebulição muito alto em baixa concentração.
Esquema de destilação simples. Fonte: Wikimedia.
Equipamentos usados em uma destilação simples laboratorial
1) Proveta
Equipamento utilizado para recolher o líquido destilado obtido no condensador. Pode ser usado também outros tipos de frascos coletores, como béquer ou Erlenmeyer.
2) Unha
Conector para interligar os equipamentos (condensador + proveta).
3) Condensador de Liebig acoplado com mangueiras de água
Utensílio usado para resfriar o vapor transformando-o em um líquido.
Este condensador é um tubo de vidro com forma cilíndrica que possui em seu interior outro tubo de vidro com um diâmetro menor, uma parte é onde o vapor com interesse em condensar transita e a outra parte passa um líquido que normalmente é água para resfriar e fazer com que a temperatura interna diminua.
Além disso, possui dois tubos de vidros laterais para entrada de água e saída de água, sendo este feito com o auxilio de uma mangueira para água transitar.
4) Termômetro
Equipamento utilizado para aferir a temperatura da mistura durante o experimento.
5) Cabeça de destilação
Faz ligação entre o balão e o condensador.
Cabeça de destilação para destilação simples e fracionada.
6) Balão de fundo redondo contendo pérolas de vidro
Objeto de vidro que contém a mistura para destilação.
A pérola de vidro são pequenas bolinhas (2 a 5 mm) que evitam o superaquecimento da mistura e projeção desta.
7) Manta de aquecimento
Dispositivo usado para o aquecimento da mistura no interior do balão de fundo redondo. A manta de aquecimento necessita de energia elétrica, esta é muito eficaz pois aquece de maneira controlada e uniforme.
Temos também o chamado Bico de Bunsen que necessita de uma fonte de gás e fósforo para ligar, possui orifícios na sua base por onde entra o ar que se mistura com o gás e uma válvula que controla o gás.
8) Suporte universal
Vara metálica vertical que se encontra numa base metálica fixa que serve para sustentar equipamentos laboratoriais.
9) Garras
Ferramenta metálica com formato de mão utilizado para segurar peças laboratoriais tendo a base do suporte universal como auxílio.
10) Tripé com tela de amianto
Suporte metálico com três hastes de ferro usada para sustentar tela de amianto, que é uma tela metálica com arame galvanizado com amianto prensado no centro no formato de círculo, que serve para distribuir o calor uniformemente.
Usado opcionalmente com manta de aquecimento.
11) Entrada de água
Orifício do condensador que é destinado para entrada de água fria, que esfria o condensador e favorece a condensação.
12) Saída de água
Orifício do condensador que é destinado para saída de água que sairá quente, pois foi aquecida durante o resfriamento.
Em escala industrial, necessita-se de grande demanda e equipamentos mais sofisticados e um pouco diferentes do que em laboratório.
No entanto, mesmo em escala industrial, usa-se os equipamentos descritos anteriormente.
Como ocorre uma destilação simples?
Adiciona-se a mistura e algumas pérolas de vidro que evitam superaquecimento da mesma dentro do balão de fundo redondo, onde este é colocado na manta de aquecimento em cima de um tripé com tela de amianto, prendendo com auxílio de garras.
Acopla-se a cabeça de destilação ao balão de fundo redondo e condensador já conectado com as mangueiras.
A unha é acoplada ao condensador e proveta com auxílio de suporte universal e garras. Por fim, coloca-se o termômetro na cabeça de destilação a altura da saída de vapor com auxílio de uma rolha.
Com todos os equipamentos montados conforme a imagem 17, liga-se a manta de aquecimento e à medida que ocorre aquecimento da mistura, o líquido começa a evaporar.
Os vapores entram no condensador e são resfriados pela passagem de água corrente do tubo externo, fazendo com que os vapores venham se condensando-se em líquido novamente.
O líquido condensado é recolhido na proveta (pode ser usado outro tipo de frasco coletor como béquer ou erlenmeyer) e o composto sólido que estava dissolvido no líquido não evapora, permanece no balão de fundo redondo, por possuir temperatura de ebulição bem mais alta que o líquido.
A destilação simples pode ser usada na purificação da água do mar, mas este processo não é viável economicamente.
Outro exemplo, é na separação de misturas de sal e água, dissulfeto de carbono e água, nitrato de sódio, na indústria de destilados como a cachaça, produção de combustíveis.
Destilação fracionada
Tipo de destilação usada na separação de misturas homogêneas quando temos misturas líquido-líquido.
Baseado nos diferentes pontos de ebulição dos componentes da mistura em questão, quando a mistura possui pontos de ebulição próximos que volatilizam quase juntos, usamos esta destilação.
Este processo de destilação, também realizado com aquecimento em um recipiente apropriado, com grande importância econômica pela geração de riquezas, como exemplo, na utilização da separação dos componentes do petróleo.
A destilação fracionada é feita quando deseja-se separar dois ou mais líquidos que sejam miscíveis, que tenham uma diferença nos seus pontos de ebulição inferior a 80 ºC.
Normalmente, a substância mais volátil da mistura existirá em maior proporção no vapor do que no líquido, então, se esse líquido for vaporizado e condensado de novo, ele se tornará mais rico no componente mais volátil, e se continuarmos esse processo de vaporizar e condensar, os componentes da mistura inicial podem ser separados em componentes puros.
Parecido com a destilação simples, baseado nas diferenças de pontos de ebulição, a diferença é que na destilação fracionada é necessário o uso de uma coluna de fracionamento, que é um tubo de vidro que é conectado entre o balão e cabeça de destilação, projetada para realizar uma série de condensações e vaporizações contínuas.
O líquido que possui menor ponto de ebulição é o mais volátil e tem a maior pressão de vapor.
A eficiência de uma coluna de fracionamento é determinada em função de seus números de pratos teóricos (quanto mais pratos teóricos mais eficiente a destilação), que é uma grandeza que se relaciona ao número de vezes que ocorre vaporização e condensação quando uma mistura líquida percorre a coluna.
Equipamentos usados em uma destilação fracionada
A seguir, vemos um esquema da montagem dos equipamentos utilizados em uma destilação fracionada:
- 1 – Proveta,
- 2 – Unha,
- 3 – Condensador de Liebig acoplado com mangueiras de água,
- 4 – Termômetro,
- 5 – Cabeça de destilação,
- 6 – Coluna de Fracionamento (Vigreux),
- 7 – balão de fundo redondo contendo pérolas de vidro,
- 8 – Manta de aquecimento,
- 9 – Suporte Universal,
- 10 – Garras,
- 11 – Entrada de água e
- 12 – Saída de água.
A montagem é bem parecida com os equipamentos presentes em uma destilação simples, que já foi abordado e descrito cada equipamento individualmente no tópico 3, o diferencial é a coluna de fracionamento.
Coluna de fracionamento
Equipamento de vidro que faz uma série de condensações e vaporizações contínuas.
O líquido que possui menor ponto de ebulição é o mais volátil e tem a maior pressão de vapor.
Possui objetivo de criar diversas regiões de equilíbrio líquido-vapor enriquecendo a fração do componente mais volátil da mistura, tem a função de agir como um gradiente de temperatura.
Com isso, a parte inferior tem a temperatura mais alta que vai diminuindo com o distanciamento da fonte de aquecimento, então a parte mais alta tem temperatura menor.
Na foto do esquema de destilação fracionada acima, vemos a imagem de uma coluna de fracionamento de Vigreux, as três mais usadas são: Vigreux, Dufton e Hempel.
Coluna de fracionamento de Vigreux
Esta coluna pode destilar rapidamente, mas não possui uma eficiência muito alta.
Tem inclinação idênticas ao ângulo de 45º que são posicionados em pares diferenciados. (Diferença entre ponto de ebulição 60ºC).
Coluna de fracionamento de Dufton
Tubo vedado com metal com interior da coluna composto por gotas e secções feitas de vidro (a vantagem é que o vidro não reage com compostos orgânicos). Diferença entre ponto de ebulição 36ºC.
Coluna de fracionamento de Hempel
Tubo vedado com metal com interior da coluna composto por aço inoxidável. (Diferença entre ponto de ebulição 17ºC).
Como ocorre uma destilação fracionada?
Com todos os equipamentos montados conforme a imagem 19, liga-se a manta de aquecimento e à medida que ocorre aquecimento da mistura a ser purificada que se encontra no balão, o líquido começa a evaporar.
Quando os vapores chegam na base da coluna de fracionamento, passa a ocorrer uma concorrência para atravessar a coluna de fracionamento, como existe pouco espaços e obstáculos (forma de bolinhas dentro) com objetivo de ocorrer várias etapas de vaporização e condensação, apenas um dos líquidos conseguirá atravessar a coluna de fracionamento.
O vapor de líquido que apresenta menor ponto de ebulição (menor a densidade do vapor) será o que atravessa a coluna primeiro.
Quando consegue atravessar a coluna de fracionamento, o vapor do líquido de menor ponto de ebulição entra no condensador e é resfriado pela passagem de água corrente do tubo externo, fazendo com que o vapor venha condensando-se em líquido novamente.
Finalmente, o líquido condensado é recolhido em um frasco (proveta).
Após o primeiro líquido conseguir atravessar a coluna de fracionamento e ser recolhido, os outros líquidos presentes são obtidos por ordem crescente de temperatura, a cada salto de temperatura marcado pelo termômetro recolhe-se os destilados correspondentes.
A destilação fracionada é utilizada na separação dos componentes do ar, em produtos que tenham cloro e relacionados ao silano que é um derivado do silício que produzem silício com alta pureza usado na fabricação de semicondutores, além disso, é muito importante na refinação do petróleo.
A destilação do petróleo é um exemplo de destilação fracionada utilizada em escala industrial, sendo assim, é necessário equipamentos um pouco diferente do laboratório, ou seja, em maior escala, como torres de destilação, por onde transitam as frações de compostos provenientes do petróleo em forma de vapor.
O petróleo é aquecido e ocorre o processo de destilação fracionada, as substâncias que tenham menor ponto de ebulição começam a evaporar passam pela coluna de fracionamento e saem pelo topo da torre de destilação e os produtos que possuem ponto de ebulição mais elevado saem da parte inferior.
Os compostos que são obtidos da destilação do petróleo são: Gás natural (como metano e butano), Naftas, Gasolina, Querosene, Óleo diesel, Óleos lubrificantes, Óleos combustíveis, asfalto e parafina, como o esquema abaixo mostra:
A destilação é um processo de suma importância que nos permite purificar e separar substâncias presentes em nosso cotidiano, como asfalto para as ruas, combustível de aviões (querosene) por exemplo.
Confira o mapa mental sobre separação de mistura que fizemos e veja na prática os processos de destilação simples e fracionada:
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