Værdifulde naturlige stoffer forekommer ofte som blandinger, der indeholder både ønskelige og uønskede komponenter. For eksempel inkluderer råolie forskellige typer carbonhydrider, der er egnede til forskellige brændstoffer anvendelser, havvand har et højt saltindhold, og jernmalm indeholder mineralurenheder ud over brugbart jern. Gennem århundreder har folk udviklet adskillige måder til at raffinere eller rense naturlige materialer. Enkel destillation og fraktioneret destillation er to variationer på en grundlæggende teknik til adskillelse af forskellige væskekomponenter.
Dampe og fordampning
Forholdet mellem temperatur og fordampning er afgørende for at forstå både enkel og fraktioneret destillation. Når en væske er i en åben beholder, udøver atmosfæren et nedadgående tryk på overfladen af væsken. Dette atmosfæriske tryk modvirker væskens damptryk, som er skabt af den kinetiske energi af molekyler, der fordamper fra væskeoverfladen. Når væskens temperatur stiger, stiger den gennemsnitlige molekylære kinetiske energi også; flere molekyler fordamper, hvilket fører til højere damptryk. Kogning opstår, når molekyler kan fordampe frit, fordi væsken har nået en temperatur, hvor damptrykket er lig med det atmosfæriske tryk.
Enkel adskillelse
Forskellige forbindelser har forskellige kogetemperaturer. Tilsvarende ved forskellige temperaturer vil forskellige forbindelser have forskellige damptryk. Hvis en flydende blanding af forskellige forbindelser opvarmes i en lukket beholder, vil sammensætningen af dampen fanget over væsken afspejle disse forskelle. Dampen indeholder flere molekyler af forbindelser med højere damptryk og færre molekyler af forbindelser med lavere damptryk. En forbindelse med en meget høj kogetemperatur i forhold til de andre forbindelser i blandingen vil være næsten fraværende fra dampen, og ikke-flygtige opløste faste stoffer, såsom salt, vil forblive som sediment i det opvarmede beholder. Enkel destillation er processen med at opsamle denne damp og afkøle den, så den kondenseres tilbage til en væske. Enkel destillation adskiller komponenterne i en flydende blanding, fordi den kondenserede væske indeholder en større andel af forbindelser med højere damptryk og den oprindelige væske indeholder en højere andel af forbindelser med lavere damp tryk.
Destillationsdilemma
En simpel destillation ændrer andelen af forbindelser i de to endelige væsker, men den opnår ikke fuldstændig adskillelse. Processen kan gentages for at opnå gradvis højere grader af adskillelse, men dette er også spild, fordi under hver destillationsprocedure flygter nogle molekyler ud i atmosfæren, og nogle forbliver som rest i destillationen udstyr. Fraktioneret destillation adresserer dette dilemma - forbedring af simpel destillation ved kun at opnå højere separationsgrader i en destillationsprocedure.
En kolonne, flere fordampninger
Den primære forskel mellem fraktioneret destillation og simpel destillation er tilføjelsen af en fraktioneringskolonne mellem den opvarmede beholder og det sted, hvor dampen kondenserer. Denne søjle er fyldt med materialer, såsom tynde metaltråde eller glasperler, der tilskynder kondens, fordi de har højt overfladeareal. Når dampene stiger gennem fraktioneringskolonnen, kondenseres de til væske på de køligere overflader af disse materialer. Varme dampe, der stiger nedenfra, får denne væske til at fordampe, derefter kondenserer den igen, derefter fordamper den igen og så videre. Hver fordampning resulterer i damp med en højere andel af molekyler med højere damptryk. Således opnår fraktioneret destillation overlegen adskillelse med mindre materialetab, fordi en procedure svarer til flere runder med simpel destillation.