Wertvolle Naturstoffe treten oft als Mischungen auf, die sowohl erwünschte als auch unerwünschte Bestandteile enthalten. Rohöl umfasst beispielsweise verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffen, die für unterschiedliche Kraftstoffe geeignet sind Anwendungen, Meerwasser hat einen hohen Salzgehalt und Eisenerz enthält neben mineralischen Verunreinigungen brauchbares Eisen. Im Laufe der Jahrhunderte haben die Menschen zahlreiche Möglichkeiten entwickelt, natürliche Materialien zu veredeln oder zu reinigen. Einfache Destillation und fraktionierte Destillation sind zwei Variationen einer grundlegenden Technik zum Trennen verschiedener Komponenten einer Flüssigkeit.
Dämpfe und Verdunstung
Die Beziehung zwischen Temperatur und Verdampfung ist wesentlich für das Verständnis sowohl der einfachen als auch der fraktionierten Destillation. Wenn sich eine Flüssigkeit in einem offenen Behälter befindet, übt die Atmosphäre einen nach unten gerichteten Druck auf die Flüssigkeitsoberfläche aus. Dieser Atmosphärendruck wirkt dem Dampfdruck der Flüssigkeit entgegen, der durch die kinetische Energie von Molekülen entsteht, die von der Flüssigkeitsoberfläche verdampfen. Mit steigender Temperatur der Flüssigkeit nimmt auch die durchschnittliche kinetische Energie des Moleküls zu; mehr Moleküle verdampfen, was zu einem höheren Dampfdruck führt. Sieden tritt auf, wenn Moleküle frei verdampfen können, weil die Flüssigkeit eine Temperatur erreicht hat, bei der der Dampfdruck dem Atmosphärendruck entspricht.
Einfache Trennung
Verschiedene Verbindungen haben unterschiedliche Siedetemperaturen. In ähnlicher Weise haben verschiedene Verbindungen bei jeder gegebenen Temperatur unterschiedliche Dampfdrücke. Wenn ein flüssiges Gemisch verschiedener Verbindungen in einem geschlossenen Behälter erhitzt wird, spiegelt die Zusammensetzung des über der Flüssigkeit eingeschlossenen Dampfes diese Unterschiede wider. Der Dampf enthält mehr Moleküle von Verbindungen mit höherem Dampfdruck und weniger Moleküle von Verbindungen mit niedrigerem Dampfdruck. Eine Verbindung mit einer sehr hohen Siedetemperatur im Vergleich zu den anderen Verbindungen in der Mischung wird fast im Dampf nicht enthalten, und nichtflüchtige gelöste Feststoffe wie Salz bleiben als Sediment im erhitzten Container. Bei der einfachen Destillation wird dieser Dampf gesammelt und abgekühlt, so dass er wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert. Einfache Destillation trennt die Komponenten eines Flüssigkeitsgemisches, da die kondensierte Flüssigkeit einen höheren Anteil an proportion Verbindungen mit höherem Dampfdruck und die ursprüngliche Flüssigkeit enthält einen höheren Anteil an Verbindungen mit niedrigerem Dampf Druck.
Destillationsdilemma
Eine einfache Destillation ändert den Anteil der Verbindungen in den beiden Endflüssigkeiten, erreicht jedoch keine vollständige Trennung. Der Vorgang kann wiederholt werden, um immer höhere Abscheidegrade zu erreichen, dies ist jedoch auch verschwenderisch, da während Bei jedem Destillationsvorgang entweichen einige Moleküle in die Atmosphäre und einige bleiben als Rückstand beim Destillieren Ausrüstung. Die fraktionierte Destillation adressiert dieses Dilemma – eine Verbesserung der einfachen Destillation durch Erzielen höherer Trenngrade in nur einem Destillationsverfahren.
Eine Säule, mehrere Verdampfungen
Der Hauptunterschied zwischen fraktionierter Destillation und einfacher Destillation besteht darin, dass zwischen dem beheizten Behälter und der Stelle, an der der Dampf kondensiert, eine Fraktionierkolonne hinzugefügt wird. Diese Säule ist mit Materialien wie dünnen Metalldrähten oder Glasperlen gefüllt, die aufgrund ihrer großen Oberfläche die Kondensation fördern. Wenn die Dämpfe durch die Fraktionierkolonne aufsteigen, kondensieren sie an den kühleren Oberflächen dieser Materialien zu Flüssigkeit. Von unten aufsteigende heiße Dämpfe lassen dann diese Flüssigkeit verdampfen, dann kondensiert sie wieder, dann verdampft sie wieder und so weiter. Bei jeder Verdampfung entsteht Dampf mit einem höheren Anteil an Molekülen mit höherem Dampfdruck. Somit erreicht die fraktionierte Destillation eine überlegene Trennung mit weniger Materialverlust, da ein Verfahren mehreren Runden einfacher Destillation entspricht.