La figura a destra fornisce una esemplificazione visiva dell'apparecchiatura per la distillazione frazionata. Immaginate che il liquido verde sia una combinazione di un liquido blu (t. eb. = 80 ºC) e un liquido giallo (100 ºC), in modo da visualizzare una miscela altrimenti incolore di acqua e alcol. Appena il vapore proveniente dalla miscela in ebollizione entra nella colonna di frazionamento, esso inizia a raffreddarsi ed a condensare. Il componente più altobollente (il liquido meno volatile) tende a condensare maggiormente, e in questo caso è il liquido giallo. Il componente più bassobollente (più volatile), il liquido blu, sale maggiormente lungo la colonna. Gradualmente risalendo la colonna, il componente giallo ed il componente blu si separano l'uno dall'altro così che il liquido giallo condensa e ricade nel bollitore mentre il componente blu distilla e viene raccolto. Il primo liquido - con punto di ebollizione più basso - è chiamato la prima frazione, e ciascun liquido che distillando raggiunge la sommità della colonna costituisce la seconda, terza frazione, ecc.
La distillazione frazionata comprende 2 stadi principali, entrambi sono cambiamenti di stato fisico.
 colonna per distillazione frazionata (schema modificato da: www.wpbschoolhouse.btinternet.co.uk) |
gas). I granuli solidi che sono depositati sul fondo, unitamente ad un'attenta regolazione del flusso di calore riscaldante, favoriscono un'ebollizione omogenea. Infatti, un'ebollizione tumultuosa può favorire la presenza nel "cuore" di componenti altobollenti trascinati dai vapori caldi.
liquido) e ritorna in fase liquida che gocciola nel recipiente di raccolta.
Per aumentare l'efficienza della separazione della lunga colonna di frazionamento, questa viene generalmente riempita con perline di vetro, piccoli tubetti di vetro, anelli di vetro, ecc, i quali aumentano considerevolmente la superficie destinata al contatto fra il liquido ed il vapore, al contempo la loro presenza è pressocché irrilevante per la richiesta energetica necessaria alla distillazione.
 Fig. 1 - il liquido di composizione C1 evapora formando un vapore di composizione C2. |
Questo vapore ora inizia a risalire lungo la colonna di frazionamento la cui temperatura diminuisce con l'allontanarsi dal bollitore: appena il vapore raggiungerà la zona della colonna dove la temperatura si è ridotta al suo punto di condensazione, inizierà a gocciolare per riformare il liquido. Questo liquido che gocciola, incontrando il vapore che risale lungo la colonna di frazionamento, si riscalderà e riprenderà quindi ad evaporare raggiungendo il punto P3 al quale corrisponde una composizione C3 (Fig. 2).
 Fig. 2 - il continuo riscaldamento del condensato che ricade nel bollitore, fa sì che il processo distillativo sia più efficiente. |
Questo vapore inizia a risalire lungo la colonna fino a ripetere il processo precedente.
A questo punto, per maggior chiarezza espositiva, riassumiamo le fasi della distiilazione frazionata, fissando per prima cosa l'attenzione sul vapore sviluppato; come passo successivo, penseremo alla parte di liquido presente nel bollitore.
Il vapore (di composizione C2) risalirà lungo la colonna di frazionamento fino a raggiungere la temperatura alla quale può condensare. Allora l'intero processo si ripete (con il vapore di composizione C3) e poi ancóra.
Ogni volta che il vapore condensa in un liquido, questo liquido prende a gocciolare giù per la colonna dove sarà riscaldato dal vapore caldo che sopraggiunge. Ogni volta che questo accade il nuovo vapore sarà più ricco del componente più volatile.
La finalità è equilibrare la temperatura della colonna in modo che al momento in cui il vapore raggiunge la parte superiore dopo un gran numero di processi di condensazione ed evaporazione, sia costituito soltanto dal componente più volatile - in questo caso, B.
Se questo risultato è possibile o meno, dipende dalla differenza fra i punti di ebollizione dei due liquidi: quanto più sono vicini tra loro, tanto più deve essere lunga la colonna.
cosa accade al liquido successivamente ad ogni evaporazione è ovvio: se il vapore è più ricco di componente più volatile, il liquido residuo deve diventare più ricco del componente meno volatile.
Appena il liquido condensato gocciola giù per la colonna, viene rinviato su come vapore e ciascuna evaporazione successiva lo rende sempre più ricco del componente meno volatile, in questo caso, A. Poiché il liquido condensa nel bollitore, esso si arricchirà di A.
Così, col tempo, via via che B oltrepassa il top della colonna nel condensatore, il liquido nel bollitore diviene più ricco in A: controllando accuratamente la temperatura, si può separare la miscela con B nel recipiente di raccolta e A nel bollitore.
Da quanto discusso, è chiara l'importanza dell'impacchettamento nella colonna. Per rendere il processo di evaporazionecondensazioneevaporazione quanto più efficace possibile, esso deve ripetersi molte volte. Per ottenere un'ampia superficie all'interno della colonna, è necessario avere la maggior superficie di contatto tra il liquido che condensa gocciolando e il vapore che risale.
Senza l'impaccamento, il liquido condenserebbe solo sulla superficie laterale del condensatore gocciolandovi, mentre la maggior parte del vapore attraverserebbe il condensatore senza incontrare il liquido di ritorno.
A questo punto dovrebbe essere facile comprendere che il processo della distillazione frazionata non è discontinuo (come una serie di dist. semplici), bensì è continuo. Così, i due diagrammi sopra riportati (Figg. 1 e 2) hanno solo fini didattici in quanto il processo reale è molto più complesso ed una rappresentazione visiva migliore è fornita dal diagramma a destra dove le fasi distillative discontinue sono sostituite da un insieme di equilibri intermedi che si susseguono in modo praticamente continuo.
La tabella seguente riassume le differenza fondamentali tra distillazione semplice e frazionata.
| distillazione semplice | distillazione frazionata | |
| vantaggi | semplicità di installazione; rapidità di esecuzione; basso consumo di energia |
miglior separazione dei due liquidi rispetto alla distill. semplice; può purificare miscele complesse |
| svantaggi | i punti di ebollizione dei due liquidi devono differire di almeno 70 ºC; resa inferiore alla dist. frazionata; va bene per liquidi piuttosto puri |
allestimento più complicato; richiede più tempo; consuma maggior energia |
| impieghi | per separare liquidi relativamente puri con elevata differenza di temperature; per liquidi contenenti impurezze solide |
per separare complesse miscele di liquidi con piccole differenze di temperatura fra i punti di ebollizione |
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Nel corso del processo, quindi, si ha una corrente di vapore che sale, riscaldando i successivi strati di liquido contenuti nei piatti cha attraversa; in questo modo, il vapore si arricchisce del componente più volatile, A. Contemporaneamente, si ha un flusso di liquido che scende e diventa sempre più ricco del componente meno volatile, B.
Si può dimostrare, ma è intuitivo, che tanto più vicini sono i valori delle temperature di ebollizione di A e B, tanto maggiore dovrà essere il numero di piatti e la durata dell'operazione. Le tipiche colonne consentono di separare industrialmente miscele di due liquidi le cui temperature di ebollizione differiscono di 2 ºC. Colonne di distillazione più complesse di quella illustrata, consentono di separare, con funzionamento continuo, anche miscele costituite da più compoenti. Per esempio, per l'industria petrolifera si utilizzano colonne alte circa 60 m con diametro 12 m, che operano in pressione.
Nella distillazione di olio grezzo, le differenti frazioni sono condensate a differenti punti in una enorme colonna di distillazione. All'apice sono i componenti con punto di ebollizione molto basso, combustibili gassosi simili al butano e al basso i componenti con più alto punto di ebollizione: grandi molecole bituminose.
referenze bibliografiche: Ming T. Tham, Department of Chemical and Process Engineering at the University of Newcastle upon Tyne, UK
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