Hoe werkt fractionele destillatie?

Destillatie is het proces waarbij twee of meer vloeistoffen worden gescheiden op basis van verschillen in hun kookpunt. Wanneer de kookpunten van de vloeistoffen echter sterk op elkaar lijken, wordt scheiding door normale destillatie ineffectief of onmogelijk. Fractionele destillatie is een gemodificeerd destillatieproces dat de scheiding van vloeistoffen met vergelijkbare kookpunten mogelijk maakt.

Het kookpunt van een vloeistof is de temperatuur waarbij het in damp verandert. Vloeistoffen behouden hun karakteristieke kookpunt, zelfs wanneer ze worden gemengd met andere vloeistoffen. Dit vertegenwoordigt het onderliggende principe van destillatie dat vloeistoffen kunnen worden gescheiden door de vloeistof om te zetten met de laagste kookpunt in damp, waarna die damp weer wordt omgezet in de vloeibare toestand nadat deze is overgebracht naar een aparte container.

Tijdens het destillatieproces wordt het vloeibare mengsel in een kookkolf geplaatst, die is verbonden met een koelkolom, een condensor genaamd, waarvan het andere uiteinde is verbonden met een opvangkolf. De condensor zit horizontaal met een lichte neerwaartse helling zodat de damp die de condensor bereikt en weer in vloeistof wordt omgezet, kan worden opgevangen in de opvangkolf. De scheikundeafdeling van Wake Forest College geeft een schema van de opstelling. Na voltooiing van de destillatie komt de laagst kokende vloeistof in de opvangkolf (en wordt het "destillaat" genoemd) en de hoger kokende vloeistof blijft in de kokende kolf.

Een fractionele destillatieopstelling omvat een extra kolom die verticaal bovenop de kookkolf zit en waarop de condensor is aangesloten. Het doel is om de afstand te vergroten die de damp moet afleggen om de condensor te bereiken. De kolommen zijn meestal gevuld met glasparels of stukjes keramiek om het oppervlak te vergroten waarmee de damp in contact moet komen terwijl deze naar de condensor wordt getransporteerd.

Tijdens normale destillatie zal ook een aanzienlijke hoeveelheid van de hoger kokende vloeistof verdampen en naar de verzamelkolf worden getransporteerd, waardoor in wezen een onzuiverheid in het gedestilleerde product wordt. Dit is vooral problematisch wanneer de vloeistoffen die worden afgescheiden vergelijkbare kookpunten hebben. Hoe groter het oppervlak waarmee de hoger kokende vloeistof onderweg in contact komt, hoe groter de kans dat het terug condenseert tot een vloeistof en terugkeert naar de kokende kolf. Bij fractionele destillatie wordt dit grotere oppervlak gebruikt om de efficiëntie van de destillatie te verbeteren.

De twee belangrijkste toepassingen van gefractioneerde distillatie zijn de raffinage van ruwe olie en de productie van sterke drank (alcoholische dranken).

Ruwe olie bevat tal van verschillende chemicaliën, waarvan vele vergelijkbare kookpunten hebben. Raffinaderijen scheiden deze chemicaliën door kookpunt in verschillende producten. De laagkokende fracties worden petroleumgas of benzine, de middelmatig kokende fracties worden stookolie, dieselbrandstof of kerosine, en de fracties met het hoogste kookpunt worden paraffinewas of asfalt.

De fermentatie van suikers tot alcohol stopt wanneer het alcoholgehalte de 13 procent nadert, omdat de gist niet kan overleven bij hogere alcoholconcentraties. De kookpunten van alcohol (78,5 graden Celsius) en water (100 graden Celsius) zijn vergelijkbaar genoeg dat distilleerderijen moeten gefractioneerde distillatie gebruiken om de alcohol te concentreren tot ongeveer 50 procent (wat dan "geesten").

Het distillatieproces bij een olieraffinaderij verbruikt 2 vaten olie aan energie voor elke 100 vaten geraffineerde olie.