destylator

Destylator, aparat destylacyjny – urządzenie wykorzystywane do przeprowadzania procesu destylacji polegającego na rozdziale mieszaniny substancji chemicznych bądź jej oczyszczaniu z substancji niepożądanych na podstawie różnic w temperaturze wrzenia jej poszczególnych składników. Destylator prosty składa się ze zbiornika cieczy (kolby destylacyjnej), skraplacza (chłodnicy destylacyjnej), zbiornika destylatu (kolby odbiorczej) i urządzenia grzewczego do ogrzewania kolby destylacyjnej. Destylator kolumnowy składa się dodatkowo z kolumny destylacyjnej wyposażonej w półki (np. dzwonowe, sitowe) bądź wypełnienie (np. sprężynki pryzmatyczne, pierścienie Raschiga) zapewniającej wysoką czystość rozdziału; oraz głowicy destylacyjnej regulującej tempo wypływu rozdzielanej mieszaniny z urządzenia. Destylatory wykorzystywane są w praktyce laboratoryjnej i wielu gałęziach przemysłu, m.in. w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym, spirytusowym oraz naftowym.

Mechanizm destylacji

Destylacja (łac. destillatio – skraplanie) jest procesem fizykochemicznym polegającym na ogrzewaniu ciekłej mieszaniny substancji chemicznych do temperatury wrzenia w celu ich przeprowadzenia w stan gazowy, skropleniu (kondensacji) powstałych oparów w wyniku ich ochłodzenia oraz zebrania skroplonej cieczy zawierającej określony składnik tej mieszaniny (tzw. skropliny, destylatu). Proces destylacji służy do rozdziału mieszanin wieloskładnikowych bądź ich oczyszczania z substancji niepożądanych (np. nielotnych zanieczyszczeń, produktów ubocznych syntezy chemicznej). Jego podstawę stanowią zróżnicowane temperatury wrzenia poszczególnych składników tych mieszanin, czyli różnice w ich lotności względnej.

Mechanizm przebiegu destylacji prostej w aparacie destylacyjnym (destylatorze). Źródło: Vectomart/shutterstock.com

Można wyróżnić cztery podstawowe rodzaje destylacji:

• destylacja prosta (różniczkowa, kotłowa) – proces polegający na jednorazowym odparowaniu i skropleniu składników ciekłej mieszaniny, zachodzący pod ciśnieniem atmosferycznym; wykorzystywany do rozdziału składników mieszanin różniących się temperaturą wrzenia i oczyszczania cieczy z nielotnych zanieczyszczeń (np. olejów);
• destylacja próżniowa (pod zmniejszonym ciśnieniem) – proces zbliżony do destylacji prostej, zachodzący pod niższym ciśnieniem i przy obniżonej temperaturze wrzenia destylowanej cieczy; wykorzystywany w rozdziale składników mieszanin o wysokich temperaturach wrzenia lub rozkładających się pod wpływem ogrzewania;
• destylacja parowa (z parą wodną) – proces zachodzący pod wpływem nasyconej lub przegrzanej pary wodnej, przy obniżonej temperaturze wrzenia destylowanej cieczy; stosowany w rozdziale składników mieszanin wrażliwych na wysoką temperaturę, nie mieszających się z wodą (hydrofobowych) i wykazujących lotność z parą wodną;
• destylacja frakcyjna (destylacja frakcjonowana, rektyfikacja) – proces polegający na wielokrotnym skraplaniu się i odparowywaniu destylowanej cieczy, zachodzący na kolumnach destylacyjnych (rektyfikacyjnych); stosowany do rozdziału składników mieszanin o zbliżonych temperaturach wrzenia (np. frakcji ropy naftowej).

Procesy destylacji mogą przebiegać w trybie okresowym polegającym na wielokrotnym uzupełnianiu ogrzewanego zbiornika próbkami ciekłej mieszaniny substancji chemicznych, odprowadzaniu oparów znad powierzchni wrzącej cieczy w celu ich skroplenia, zbieraniu destylatu oraz usuwaniu nieodparowanych pozostałości (tzw. cieczy wyczerpanej, pogonu) (np. destylacja prosta). Procesy destylacji prowadzone na skalę przemysłową polegają na nieustannym uzupełnianiu zbiornika próbkami ciekłej mieszaniny wieloskładnikowej, ich rozdziale na kolumnach destylacyjnych (rektyfikacyjnych) i zbieraniu destylatów przy stałej obecności nieodparowanych pozostałości podestylacyjnych (np. destylacja frakcjonowana).

Destylator – aparatura do destylacji

Procesy destylacji prowadzone są z wykorzystaniem specjalistycznej aparatury destylacyjnej umożliwiającej ogrzewanie ciekłych mieszanin wieloskładnikowych do temperatury wrzenia, schładzanie par danego składnika w celu ich skroplenia i odprowadzanie głównego produktu, czyli destylatu. Aparat destylacyjny (tzw. destylator) charakteryzuje się ściśle określonymi parametrami wpływającymi na szybkość i efektywność destylacji oraz jakość destylatu (np. czystość, smak, aromat). Wynikają one w głównej mierze z przeznaczenia destylatora, czyli rodzaju i przebiegu procesu destylacji oraz rodzaju i właściwości rozdzielanych mieszanin.

Prosty destylator miedziany (tzw. alembik) służący do destylacji z parą wodną. Źródło: Photology75/envato

Parametry aparatury destylacyjnej wpływające na efektywność destylacji:

• materiał wykonania – wpływa na szybkość i przebieg destylacji i jakość otrzymanego destylatu; np. miedź zapewnia szybki i równomierny przebieg destylacji, wzbogaca profil smakowy i usuwa niepożądane substancje z destylatu (np. związki siarki); stal nierdzewna zapewnia trwałość aparatury i czystość smakową destylatu;
• średnica destylatora – wpływa na tempo destylacji i jakość otrzymanego destylatu (im większa średnica, tym szybszy przebieg destylacji i lepsze jakościowo destylaty); np. destylatory do użytku domowego o niskiej wydajności (28-35 mm); destylatory profesjonalne umożliwiające szybką produkcję destylatów dobrej klasy (> 50 mm);
• wysokość destylatora – wpływa na stopień oczyszczenia i moc otrzymanego destylatu (im większa wysokość, tym czystszy i mocniejszy destylat); np. destylatory Pot-Still do wyrobu trunków smakowych (30-50 cm); destylatory Pot-Still do przerobu nastawów cukrowych (70-80 cm), kolumny destylacyjne do wyrobu spirytusu (100-120 cm);
• wypełnienie kolumny destylacyjnej (rektyfikacyjnej) – wpływa na wzrost powierzchni parowania i skraplania składników destylowanej cieczy i zwiększenie rozdzielczości kolumny warunkujące wysoką czystość destylatu; np. kolumny wypełnione szklanymi rurkami, pierścieniami ceramicznymi (Raschiga) i sprężynkami pryzmatycznymi.

Aparatura destylacyjna do przemysłowej produkcji spirytusu, fot. Mint_Images/envato

Efektywność destylacji, poza powyższymi parametrami aparatury destylacyjnej, może być dodatkowo zwiększona za pomocą chłodnic częściowych (tzw. deflegmatorów). Urządzenia te  umożliwiają częściowe skroplenie par składników destylowanej mieszaniny. Skroplona ciecz (tzw. flegma) o wyższym stężeniu mniej lotnych składników powraca do kolby destylacyjnej, wypełnienie lub najwyższą półkę kolumny destylacyjnej, gdzie ponownie ulega rozdziałowi (tzw. refluks, metoda ponownego napływu). Pozostała część oparów zawierająca wyższe stężenie bardziej lotnych składników odprowadzana jest do chłodnicy głównej, gdzie ulega skropleniu, a następnie w postaci destylatu gromadzi się w kolbie odbiorczej (odbiorniku).

Rodzaje destylatorów (aparatów destylacyjnych)

Destylatory (aparaty destylacyjne) są urządzeniami wykorzystywanymi w procesie destylacji, obejmującej swą zbiorczą nazwą szereg różnorodnych metod rozdzielania lub oczyszczania ciekłych mieszanin substancji chemicznych. Destylatory wykazują więc duże zróżnicowanie pod względem budowy i pełnionej funkcji w zależności od mechanizmu przebiegu destylacji, rodzaju cieczy poddawanej rozdziałowi i właściwości fizykochemicznych jej poszczególnych składników (np. temperatury wrzenia; podatności na rozkład pod wpływem ogrzewania, tzw. termolizę) oraz określonego składu chemicznego, ilości i jakości otrzymywanego destylatu.

Wyróżnia się dwa główne rodzaje destylatorów różniących się budową i przeznaczeniem:

– destylatory proste – urządzenia wykorzystywane do destylacji prostej (jednokrotnej); składające się z:

• zbiornika destylowanej cieczy, np. kolby destylacyjnej, kotła destylacyjnego, szybkowaru, garnka, kegu;
• skraplacza (chłodnicy destylacyjnej);
• zbiornika destylatu (kolby odbiorczej/odbieralnika);
• urządzenia do ogrzewania destylowanej cieczy (nagrzewnicy).

– destylatory kolumnowe – urządzenia służące do destylacji frakcyjnej (wielokrotnej), składające się z:

• zbiornika destylowanej cieczy, np. kolby destylacyjnej, kotła destylacyjnego);
• kolumny destylacyjnej, np. kolumny półkowej (półki dzwonowe lub sitowe), kolumny rektyfikacyjnej z wypełnieniem (np. sprężynki pryzmatyczne);
• głowicy destylacyjnej, np. głowicy puszkowej, głowicy typu Aabratek;
• skraplacza głównego (chłodnicy destylacyjnej);
• skraplacza częściowego (chłodnicy zwrotnej, deflegmatora);
• odbiornika destylatu (kolby odbiorczej/odbieralnika);
• urządzenia do ogrzewania destylowanej cieczy (nagrzewnicy).

Kolumna destylacyjna (rektyfikacyjna) z refluksem umożliwia uzyskanie destylatów o wysokiej mocy i czystości. Źródło: Creative Vikas/shutterstock.com

Destylatory kolumnowe, w szczególności kolumny rektyfikacyjne z refluksem, zapewniają największą efektywność procesu destylacji oraz wysoką czystość i moc uzyskanego destylatu. Destylatory proste (np. pot-stille), w celu zwiększenia wydajności i otrzymania produktów lepszej jakości, są często wyposażone w elementy dodatkowe, takie jak chłodnice zwrotne (deflegmatory). Powszechnie używane są także aromatyzatory z dodatkami aromatyzującymi (np. skórką pomarańczową, ziarnami jałowca) umożliwiające uzyskanie destylatów o bogatym smaku i zapachu. Inne destylatory, prócz standardowego wyposażenia, posiadają dodatkowo wytwornicę pary wodnej i rozdzielacz kondensatów dwóch faz (np. fazy wodnej i organicznej) (destylatory parowe) lub pompy próżniowe do obniżenia ciśnienia (destylatory próżniowe).

Zastosowania destylatorów

Destylatory mają zastosowanie zarówno w praktyce laboratoryjnej jak i w wielu gałęziach przemysłu, m.in. w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym, spirytusowym i naftowym. Destylatory proste stosowane są w laboratoriach chemicznych do oddzielania związków organicznych bądź oczyszczania mieszanin z substancji niepożądanych (np. odsalania wody). Aparaty do destylacji prostej (np. pot-stille) używane są do produkcji destylatów zbożowych, owocowych i aromatyzowanych (np. whisky, koniaku, ginu, brandy, śliwowicy). Destylatory próżniowe używane są w oczyszczaniu ścieków, produkcji substancji leczniczych o wysokiej czystości, wytwarzaniu olejów napędowego, opałowego i smarowego z ropy naftowej. Destylatory parowe umożliwiają pozyskiwanie olejków eterycznych z roślin olejkodajnych oraz substancji leczniczych z roślin zielarskich. Kolumny rektyfikacyjne służą do produkcji czystego spirytusu (95%) i wysokiej jakości destylatów; są również wykorzystywane do otrzymywania benzyny, nafty i oleju gazowego z ropy naftowej oraz pozyskiwania gazów atmosferycznych (np. azotu, tlenu, argonu, kryptonu, ksenonu) ze skroplonego powietrza.

Destylacja frakcyjna (rektyfikacja) wykorzystywana jest do otrzymywania różnych frakcji ropy naftowej. Autor: BlueRingMedia/shutterstock.com

Bibliografia:

1. A Dictionary of Chemical Engineering, Carl Schaschke, Oxford University Press, 2014.
2. Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje, Loretta Jones, Peter Atkins, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.
3. Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price, Oxford University Press, 2017.
4. Nowoczesne kompendium chemii, -H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
5. Podstawy chemii nieorganicznej Tom II, Adam Bielański, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.
6. Transport Processes and Separation Process Principles, Christie J. Geankoplis, A. Allen Hersel, Daniel H. Lepek, Pearson, 2018.