Hoe eenvoudige vs. Gefractioneerde destillatie

Waardevolle natuurlijke stoffen komen vaak voor als mengsels die zowel gewenste als ongewenste componenten bevatten. Ruwe olie omvat bijvoorbeeld verschillende soorten koolwaterstoffen die geschikt zijn voor verschillende brandstof toepassingen, oceaanwater heeft een hoog zoutgehalte en ijzererts bevat naast minerale onzuiverheden: bruikbaar ijzer. Door de eeuwen heen hebben mensen talloze manieren ontwikkeld om natuurlijke materialen te verfijnen of te zuiveren. Eenvoudige destillatie en gefractioneerde destillatie zijn twee variaties op een basistechniek voor het scheiden van verschillende componenten van een vloeistof.

De relatie tussen temperatuur en verdamping is essentieel om zowel eenvoudige als gefractioneerde destillatie te begrijpen. Wanneer een vloeistof zich in een open container bevindt, oefent de atmosfeer een neerwaartse druk uit op het oppervlak van de vloeistof. Deze atmosferische druk gaat de dampdruk van de vloeistof tegen, die wordt gecreëerd door de kinetische energie van moleculen die van het oppervlak van de vloeistof verdampen. Naarmate de temperatuur van de vloeistof stijgt, neemt ook de gemiddelde moleculaire kinetische energie toe; meer moleculen verdampen, wat leidt tot een hogere dampdruk. Koken treedt op wanneer moleculen vrij kunnen verdampen omdat de vloeistof een temperatuur heeft bereikt waarbij de dampdruk gelijk is aan de atmosferische druk.

Verschillende verbindingen hebben verschillende kooktemperaturen. Evenzo zullen bij elke gegeven temperatuur verschillende verbindingen verschillende dampdrukken hebben. Als een vloeibaar mengsel van verschillende verbindingen wordt verwarmd in een afgesloten container, zal de samenstelling van de damp die boven de vloeistof is opgesloten, deze verschillen weerspiegelen. De damp bevat meer moleculen van verbindingen met een hogere dampdruk en minder moleculen van verbindingen met een lagere dampdruk. Een verbinding met een zeer hoge kooktemperatuur ten opzichte van de andere verbindingen in het mengsel zal bijna afwezig in de damp, en niet-vluchtige opgeloste vaste stoffen, zoals zout, zullen als sediment in de verwarmde blijven container. Eenvoudige destillatie is het proces van het verzamelen van deze damp en het afkoelen zodat het weer condenseert tot een vloeistof. Eenvoudige destillatie scheidt de componenten van een vloeibaar mengsel omdat de gecondenseerde vloeistof een groter aandeel aan bevat verbindingen met een hogere dampdruk en de oorspronkelijke vloeistof bevat een hoger aandeel verbindingen met een lagere damp druk.

Een eenvoudige destillatie verandert het gehalte aan verbindingen in de twee uiteindelijke vloeistoffen, maar het bereikt geen volledige scheiding. Het proces kan worden herhaald om steeds hogere scheidingsgraden te bereiken, maar dit is ook verspillend omdat tijdens: bij elke distillatieprocedure ontsnappen sommige moleculen in de atmosfeer en sommige blijven als residu bij het distilleren uitrusting. Fractionele destillatie lost dit dilemma op - verbetering van eenvoudige destillatie door hogere scheidingsgraden te bereiken in slechts één destillatieprocedure.

Het belangrijkste verschil tussen gefractioneerde destillatie en eenvoudige destillatie is de toevoeging van een fractioneringskolom tussen de verwarmde container en de plaats waar de damp condenseert. Deze kolom is gevuld met materialen, zoals dunne metaaldraden of glasparels, die condensatie bevorderen omdat ze een groot oppervlak hebben. Terwijl de dampen door de fractioneringskolom stijgen, condenseren ze tot vloeistof op de koelere oppervlakken van deze materialen. Hete dampen die van onderaf opstijgen, zorgen ervoor dat deze vloeistof verdampt, dan condenseert het weer, dan verdampt het weer, enzovoort. Elke verdamping resulteert in damp met een hoger aandeel moleculen met een hogere dampdruk. Zo bereikt gefractioneerde destillatie een superieure scheiding met minder materiaalverlies omdat één procedure equivalent is aan meerdere rondes van eenvoudige destillatie.