Jak wyjaśnić proste vs. Destylacja frakcyjna

Cenne substancje naturalne często występują w postaci mieszanin zawierających zarówno pożądane, jak i niepożądane składniki. Na przykład ropa naftowa zawiera różne rodzaje węglowodorów, które są odpowiednie dla różnych paliw zastosowań, woda oceaniczna ma wysoką zawartość soli, a ruda żelaza zawiera zanieczyszczenia mineralne oprócz użyteczne żelazko. Na przestrzeni wieków ludzie opracowali wiele sposobów uszlachetniania lub oczyszczania naturalnych materiałów. Destylacja prosta i destylacja frakcyjna to dwie odmiany podstawowej techniki oddzielania różnych składników cieczy.

Związek między temperaturą a parowaniem jest niezbędny do zrozumienia zarówno prostej, jak i frakcyjnej destylacji. Gdy ciecz znajduje się w otwartym pojemniku, atmosfera wywiera nacisk w dół na powierzchnię cieczy. To ciśnienie atmosferyczne przeciwdziała ciśnieniu par cieczy, które jest tworzone przez energię kinetyczną cząsteczek, które odparowują z powierzchni cieczy. Wraz ze wzrostem temperatury cieczy wzrasta również średnia molekularna energia kinetyczna; więcej cząsteczek odparowuje, co prowadzi do wyższej prężności pary. Wrzenie ma miejsce, gdy cząsteczki mogą swobodnie odparowywać, ponieważ ciecz osiągnęła temperaturę, w której ciśnienie pary jest równe ciśnieniu atmosferycznemu.

Różne związki mają różne temperatury wrzenia. Podobnie, w dowolnej temperaturze różne związki będą miały różne prężności par. Jeśli ciekła mieszanina różnych związków jest podgrzewana w zamkniętym pojemniku, skład pary uwięzionej nad cieczą będzie odzwierciedlał te różnice. Para będzie zawierać więcej cząsteczek związków o wyższej prężności pary i mniej cząsteczek związków o niższej prężności pary. Związek o bardzo wysokiej temperaturze wrzenia w stosunku do innych związków w mieszaninie będzie prawie nieobecne w oparach, a nielotne rozpuszczone ciała stałe, takie jak sól, pozostaną w postaci osadu w ogrzewanym pojemnik. Prosta destylacja to proces zbierania tej pary i chłodzenia jej tak, aby ponownie skondensowała się w ciecz. Prosta destylacja oddziela składniki płynnej mieszaniny, ponieważ skondensowana ciecz zawiera większą część związki o wyższej prężności pary, a oryginalna ciecz zawiera wyższy udział związków o niższej parze nacisk.

Jedna prosta destylacja zmienia proporcje związków w dwóch końcowych cieczach, ale nie prowadzi do całkowitego oddzielenia. Proces można powtórzyć, aby osiągnąć coraz wyższy stopień separacji, ale jest to również marnotrawstwo, ponieważ podczas po każdej procedurze destylacji niektóre cząsteczki ulatniają się do atmosfery, a niektóre pozostają jako pozostałość w destylacji ekwipunek. Destylacja frakcyjna rozwiązuje ten dylemat – ulepszając prostą destylację, osiągając wyższe stopnie rozdziału tylko w jednej procedurze destylacji.

Podstawową różnicą pomiędzy destylacją frakcyjną a destylacją prostą jest dodanie kolumny frakcjonującej pomiędzy ogrzewanym zbiornikiem a miejscem kondensacji pary. Ta kolumna jest wypełniona materiałami, takimi jak cienkie metalowe druty lub szklane kulki, które sprzyjają kondensacji, ponieważ mają dużą powierzchnię. Gdy pary unoszą się przez kolumnę frakcjonującą, kondensują się w ciecz na chłodniejszych powierzchniach tych materiałów. Gorące opary unoszące się od dołu powodują, że ciecz odparowuje, następnie ponownie się skrapla, następnie ponownie odparowuje i tak dalej. Każde odparowanie skutkuje powstaniem pary o większej proporcji cząsteczek o wyższej prężności pary. W ten sposób destylacja frakcyjna zapewnia lepszą separację przy mniejszych stratach materiału, ponieważ jedna procedura jest równoważna wielu rundom prostej destylacji.