Fraktionierte Destillation

Die fraktionierte Destillation ist eine spezielle Art der Destillation zur Trennung eines Gemisches aus zwei oder mehr Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten. Das Verfahren beinhaltet das Erhitzen des Gemisches und die teilweise Kondensation der Dämpfe entlang einer Kolonne (Fraktionierkolonne), die so aufgebaut ist, dass Komponenten mit niedrigeren Siedepunkten die Kolonne durchlaufen und früher aufgefangen werden als Komponenten mit höheren Siedepunkten. Im Allgemeinen wird diese Methode verwendet, wenn die Komponenten bei einem Druck von einer Atmosphäre (atm) bei weniger als 25 °C voneinander sieden.

Die Trenntechnik der fraktionierten Destillation ist sowohl in der Forschung als auch in der Industrie nützlich. In der Industrie wird sie häufig in Erdölraffinerien, Chemieanlagen und Erdgasverarbeitungsanlagen eingesetzt. Wenn eine Luftprobe verflüssigt wird, kann sie in ihre Bestandteile zerlegt werden, um flüssigen Sauerstoff, flüssigen Stickstoff und Argon herzustellen. Auch Chlorsilane können destilliert werden, um hochreines Silizium für die Verwendung als Halbleiter herzustellen.

Fraktionale Destillation im Labor

Geräte

Ein Beispiel für ein Gerät zur fraktionierten Destillation, das in einem Labor verwendet wird. Das Diagramm zeigt die Verwendung eines Liebig-Kondensators und eines Erlenmeyerkolbens als Aufnahmekolben. Der Destillationskopf und die Fraktionierkolonne sind hier in einem Stück kombiniert.

Ein Laboraufbau für die fraktionierte Destillation besteht häufig aus den folgenden Apparaten, die wie in der Abbildung rechts zusammengesetzt sind:

• eine Wärmequelle (z. B. eine Heizplatte mit einem Bad)
• ein Destillierkolben (typischerweise ein Rundkolben)
• ein Aufnahmekolben (oft ein Rund- oder Erlenmeyerkolben)Bodenkolben oder Erlenmeyerkolben)
• eine Fraktionierkolonne (Vigreux-Kolonne)
• einen Destillationskopf
• ein Thermometer und ggf. einen Adapter
• einen Kühler (Liebig-Kühler, Graham-Kühler oder Allihn-Kühler)
• ein Vakuumadapter (für Destillationen unter vermindertem Druck)
• Siedechips (auch Anti-Bumping-Granulat genannt)
• Gummistopfen, es sei denn, es werden Laborglasgeräte mit Glasschliff verwendet, wie z. B. eine Quickfit-Apparatur.

Vorgehensweise

Die Apparatur wird wie in der Abbildung (die eine Batch-Apparatur darstellt, im Gegensatz zu einer kontinuierlichen Apparatur) aufgebaut. Das Gemisch wird zusammen mit einigen Anti-Bumping-Granulaten in einen Rundkolben gegeben, und die Fraktioniersäule wird über der Kolbenmündung angebracht. Während das Gemisch siedet, steigt der Dampf in der Säule nach oben. Der Dampf kondensiert auf den Glasplattformen, den so genannten Böden, im Inneren der Säule und läuft zurück in die darunter liegende Flüssigkeit. Dies wird als „Rückfluss“ des Destillats bezeichnet.

Nur die flüchtigste Fraktion der Dämpfe bleibt in gasförmiger Form den ganzen Weg bis zum Kopf der Kolonne. Diese Fraktion gelangt in den Kondensator, der sie abkühlt, bis sie sich verflüssigt, und diese Flüssigkeit wird im Auffangkolben gesammelt.

Die Effizienz in Bezug auf den Heizaufwand und die für die Fraktionierung benötigte Zeit kann verbessert werden, indem die Außenseite der Kolonne mit einem Isolator wie Wolle, Aluminiumfolie oder (vorzugsweise) einem Vakuummantel isoliert wird. Der heißeste Boden befindet sich unten und der kälteste oben. Bei stationären Bedingungen befinden sich Dampf und Flüssigkeit auf jedem Boden im Gleichgewicht. Die Fraktionierung wird gründlicher, je mehr Böden hinzugefügt werden (bis zu bestimmten praktischen Grenzen).

Bei der Labordestillation können verschiedene Arten von Kondensatoren verwendet werden. Der Liebig-Kondensator ist einfach ein gerades Rohr innerhalb eines Wassermantels und ist die einfachste (und relativ preiswerteste) Form des Kondensators. Der Graham-Kondensator ist ein Spiralrohr innerhalb eines Wassermantels. Der Allihn-Kondensator hat eine Reihe von großen und kleinen Verengungen am Innenrohr, die jeweils die Oberfläche vergrößern, an der die Dampfbestandteile kondensieren können.

In alternativen Aufbauten kann ein „Kuh“- oder „Schwein“-Adapter verwendet werden, der mit drei oder vier Aufnahmekolben verbunden ist. Durch Drehen der „Kuh“ oder des „Schweins“ können die Destillate in den entsprechenden Empfänger geleitet werden. Ein Perkin-Dreieck kann auch zum Sammeln von Destillationsfraktionen verwendet werden, ohne dass ein „Kuh“- oder „Molch“-Adapter erforderlich ist. Ein Perkin-Dreieck wird am häufigsten verwendet, wenn die Destillate luftempfindlich sind oder wenn die Fraktionen unter vermindertem Druck destillieren und gesammelt werden, aber es kann sowohl für einfache als auch für fraktionierte Destillationen verwendet werden.

Vakuumdestillationssysteme arbeiten mit vermindertem Druck, wodurch der Siedepunkt der Materialien gesenkt wird.

Beispiel

Betrachten Sie die Destillation einer Mischung aus Wasser und Ethanol. Ethanol siedet bei 78,5 °C, Wasser siedet bei 100 °C. Auf dieser Basis sollte man in der Lage sein, die beiden Komponenten durch fraktionierte Destillation zu trennen. Ein Gemisch aus 96 Prozent Ethanol und vier Prozent Wasser siedet jedoch bei 78,2 °C und ist damit flüchtiger als reines Ethanol. Ein solches Gemisch nennt man ein Azeotrop. Wird das Gemisch leicht erwärmt, konzentriert sich das Azeotrop (als flüchtigste Komponente) stärker im Dampf und trennt sich zuerst vom Rest der Flüssigkeit. So erhält man bei der fraktionierten Destillation eines Gemisches aus Wasser und Ethanol 96 Prozent Ethanol. Sobald das gesamte Ethanol aus dem Gemisch herausgekocht ist, zeigt das Thermometer einen starken Temperaturanstieg.

Industrielle Destillation

Typische industrielle fraktionierte Destillationskolonnen.

Die fraktionierte Destillation ist die gebräuchlichste Form der Trenntechnik, die in Erdölraffinerien, petrochemischen und chemischen Anlagen sowie in Erdgasverarbeitungsanlagen eingesetzt wird. Beispielsweise wird diese Technik in Erdölraffinerien eingesetzt, um Rohöl in Nutzstoffe (oder Fraktionen) zu trennen, die aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten bestehen. Die Rohölfraktionen mit höheren Siedepunkten bestehen aus größeren Molekülen (mit mehr Kohlenstoffatomen und höheren Molekulargewichten), haben eine dunklere Farbe, sind zähflüssiger und schwieriger zu entzünden und zu verbrennen.

Meistens wird der Destillationskolonne kontinuierlich neues Einsatzmaterial zugeführt und Produkte werden kontinuierlich entfernt. Sofern der Prozess nicht durch Änderungen des Einsatzmaterials, der Wärme, der Umgebungstemperatur oder durch Kondensation gestört wird, sind die Menge des zugegebenen Einsatzmaterials und die Menge des entnommenen Produkts normalerweise gleich. Dies wird als kontinuierliche, stationäre fraktionierte Destillation bezeichnet.

Industrielle Destillation wird typischerweise in großen, vertikalen zylindrischen Kolonnen durchgeführt, die als „Destillations- oder Fraktionierungstürme“ oder „Destillationskolonnen“ bezeichnet werden. Ihr Durchmesser reicht von etwa 65 Zentimetern bis zu sechs Metern und ihre Höhe von etwa sechs Metern bis zu 60 Metern oder mehr. Die Destillationstürme haben Flüssigkeitsauslässe in Abständen in der Kolonne, so dass verschiedene Fraktionen oder Produkte mit unterschiedlichen Siedepunkten oder Siedebereichen entnommen werden können. Die „leichtesten“ Produkte (die mit dem niedrigsten Siedepunkt) treten am Kopf der Kolonne aus und die „schwersten“ Produkte (die mit dem höchsten Siedepunkt) treten am Boden der Kolonne aus.

Die fraktionierte Destillation wird auch zur Auftrennung von (verflüssigter) Luft in ihre Bestandteile verwendet, wobei flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff und hochreines Argon erzeugt werden. Die Destillation von Chlorsilanen ermöglicht die Herstellung von hochreinem Silizium für die Verwendung als Halbleiter.

Diagramm eines typischen, großindustriellen Destillationsturms.

Großindustrielle Türme verwenden Rückfluss, um eine vollständigere Trennung der Produkte zu erreichen. Rückfluss bezieht sich auf den Teil des kondensierten flüssigen Kopfprodukts aus einem Fraktionierturm, der in den oberen Teil des Turms zurückgeführt wird, wie in der schematischen Darstellung auf der rechten Seite gezeigt. Innerhalb des Turms sorgt die nach unten fließende Rücklaufflüssigkeit für die notwendige Kühlung, um die nach oben fließenden Dämpfe zu kondensieren, wodurch die Effektivität des Destillationsturms erhöht wird. Je mehr Rückfluss für eine bestimmte Anzahl theoretischer Platten zur Verfügung steht, desto besser ist die Fähigkeit des Turms, niedriger siedende Stoffe von höher siedenden Stoffen zu trennen. Je mehr Rückfluss für eine bestimmte gewünschte Trennung bereitgestellt wird, desto weniger theoretische Böden sind erforderlich.

In der industriellen Anwendung wird manchmal ein Packungsmaterial anstelle von Böden innerhalb der Kolonne verwendet, insbesondere wenn unter reduzierten Drücken gearbeitet wird. Dieses Packungsmaterial kann entweder eine willkürliche Schüttung (ein bis drei Zoll breit) wie Raschig-Ringe oder strukturierte Bleche sein. Flüssigkeiten neigen dazu, die Oberfläche der Packung zu benetzen und die Dämpfe strömen über diese benetzte Oberfläche, wo der Stoffaustausch stattfindet. Im Gegensatz zur konventionellen Boden-Destillation, bei der jeder Boden einen separaten Punkt des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts darstellt, ist die Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtskurve in einer Füllkörperkolonne kontinuierlich. Bei der Modellierung von Füllkörperkolonnen ist es jedoch sinnvoll, eine Anzahl von „theoretischen Böden“ zu berechnen, um die Trennleistung der Füllkörperkolonne im Vergleich zu herkömmlichen Böden zu kennzeichnen. Unterschiedlich geformte Packungen haben unterschiedliche Oberflächenbereiche und Leerräume zwischen den Packungen. Beide Faktoren beeinflussen die Packungsleistung.

Auslegung industrieller Destillationskolonnen

Chemietechnisches Schema typischer Bubble-Cap-Böden in einem Destillationsturm.

Auslegung und Betrieb einer Destillationskolonne hängen von der Beschickung und den gewünschten Produkten ab. Bei einem einfachen, binären Komponentenfeed können analytische Methoden wie die McCabe-Thiele-Methode oder die Fenske-Gleichung verwendet werden. Bei einem Mehrkomponenteneinsatz werden Simulationsmodelle sowohl für die Auslegung als auch für den Betrieb verwendet.

Darüber hinaus sind die Wirkungsgrade der in Destillationskolonnen verwendeten Dampf-Flüssigkeits-Kontaktvorrichtungen (als Platten oder Böden bezeichnet), wie in Abbildung zwei zu sehen, typischerweise niedriger als die einer theoretischen Gleichgewichtsstufe mit 100 Prozent Wirkungsgrad. Daher benötigt eine Destillationskolonne mehr Böden als die Anzahl der theoretischen Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsstufen.

Siehe auch

• Azeotrop
• Siedepunkt
• Destillation
• Ethanol
• Gemisch
• Lösung
• Lösungsmittel

Hinweise

• Clark, Shove Robinson. 2007. Elements of Fractional Distillation. Blatter Press. ISBN 978-1406700435
• Kister, Henry Z. 1992. Distillation Design. New York: McGraw-Hill. ISBN 0070349096
• Parkash, Surinder. 2003. Refining Processes Handbook. Amsterdam: Gulf Professional Pub. ISBN 978-0750677219
• Seader, J. D., and Ernest J. Henley. 1998. Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0471252417
• Stichlmair, Johann, and James R. Fair. 1998. Distillation: Principles and Practices. New York: Wiley. ISBN 0471252417
• Vogel, Arthur Israel, und Brian S. Furniss. 1989. Vogel’s Textbook of Practical Organic Chemistry. Harlow: Pearson. ISBN 0582462363

Alle Links wurden am 21. April 2017 abgerufen.

• Fraktionelle Destillation Definition
• Leitfaden zur Destillation

Destillation Prinzipien Raoultsches Gesetz – Daltonsches Gesetz – Reflux – Fenske-Gleichung – McCabe-Thiele-Methode – Theoretische Platte – Partialdruck – Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht Industrielle Prozesse Batch-Destillation – Kontinuierliche Destillation – Fraktionierkolonne – Spinnkonus Laborverfahren Kugelrohr – Rotationsverdampfer – Spinnbanddestillation Techniken Azeotrop – Destruktiv – Trocken – Extraktiv – Fraktionell – Reaktiv – Salz-Wirkung – Dampfbasiert – Vakuum-basierend