Der Prozess der Umwandlung einer Flüssigkeit in Dampf, der dann wieder in flüssige Form kondensiert. Das einfachste Beispiel ist die Destillation von Wasser, bei der sich Dampf aus einem Wasserkocher als Tröpfchen auf einer kalten Oberfläche niederschlägt.
Anwendung und Geschichte
Die Destillation wird verwendet, um Flüssigkeiten von nichtflüchtigen Feststoffen zu trennen, wie bei der Destillation von Spirituosen aus fermentierten Materialien, oder um zwei oder mehr Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten zu trennen, wie bei der Herstellung von Benzin, Kerosin und Schmierölen aus Erdöl. Weitere industrielle Anwendungen umfassen die Verarbeitung von Chemikalien wie Formaldehyd und Phenol sowie die Entsalzung von Meerwasser.
Der Destillationsprozess wurde wahrscheinlich von antiken Experimentatoren verwendet. Aristoteles (384-322 v. Chr.) erwähnte, dass reines Wasser durch Verdunstung von Meerwasser gewonnen werden kann. Plinius der Ältere (23-79 n. Chr.) beschrieb eine primitive Kondensationsmethode, bei der das durch Erhitzen von Kolophonium gewonnene Öl auf Wolle gesammelt wird, die auf einem Destillierkolben liegt.
Einfache Destillation
Die meisten in Industrie und Laborforschung verwendeten Destillationsmethoden sind Variationen der einfachen Destillation. Diese grundlegende Technologie verwendet einen Würfel oder eine Retorte, in der die Flüssigkeit erhitzt wird, einen Kondensator zum Kühlen des Dampfes und einen Behälter zum Sammeln des Destillats. Wenn ein Stoffgemisch erhitzt wird, wird zuerst der flüchtigste oder der mit dem niedrigsten Siedepunkt destilliert, und dann werden die anderen destilliert oder gar nicht destilliert. Ein solch einfaches Gerät eignet sich hervorragend zur Reinigung von Flüssigkeiten, die nichtflüchtige Bestandteile enthalten, und ist sehr effektiv zur Trennung von Substanzen mit unterschiedlichen Siedepunkten. Für den Laborgebrauch bestehen die Geräteteile meist aus Glas und sind mit Stopfen, Gummischläuchen oder Glasrohren verbunden. Im industriellen Maßstab bestehen Geräte aus Metall oder Keramik.
Fraktionierte Destillation
Für die Ölraffinierung wurde eine Methode namens fraktionierte oder differenzielle Destillation entwickelt, da eine einfache Destillation zur Trennung von Flüssigkeiten, deren Siedepunkte sich kaum unterscheiden, ineffizient ist. Dabei kondensieren und verdampfen die Dämpfe immer wieder in einem isolierten vertikalen Behälter. Eine besondere Rolle spielen hier Trockendampfer, Fraktionskolonnen und Kondensatoren, die eine Rückführung eines Teils des Kondensats in die Destille ermöglichen. Das Ziel besteht darin, einen engen Kontakt zwischen den aufsteigenden verschiedenen Phasen der Mischung zu erreichen, so dass nur die flüchtigsten Anteile in Form eines Dampfes den Auffangbehälter erreichen, während der Rest als Flüssigkeit in Richtung des Würfels zurückkehrt. Die Reinigung flüchtiger Bestandteile durch den Kontakt zwischen solchen Gegenströmen wird als Rektifikation oder Anreicherung bezeichnet.
Mehrfachdestillation
Diese Methode wird auch mehrstufige Flash-Verdampfung genannt. Dies ist eine andere Art der einfachen Destillation. Es wird beispielsweise zur Destillation von Wasser in großen kommerziellen Entsalzungsanlagen eingesetzt. Die Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf erfordert keine Erwärmung. Es fließt einfach von einem Behälter mit hohem Atmosphärendruck in einen Behälter mit niedrigerem Druck. Dies führt zu einer schnellen Verdunstung, begleitet von der Kondensation des Dampfes zu Flüssigkeit.
Vakuumdestillation
Bei einer Variante des Unterdruckverfahrens wird zur Erzeugung eines Vakuums eine Vakuumpumpe eingesetzt. Diese als „Vakuumdestillation“ bezeichnete Methode wird manchmal verwendet, wenn mit Substanzen gearbeitet wird, die normalerweise bei hohen Temperaturen sieden oder sich beim Kochen unter normalen Bedingungen zersetzen.
Vakuumpumpen erzeugen in der Säule einen Druck, der deutlich unter dem Atmosphärendruck liegt. Darüber hinaus werden Vakuumregler eingesetzt. Eine sorgfältige Kontrolle der Parameter ist sehr wichtig, da die Trenneffizienz vom Unterschied in der relativen Flüchtigkeit bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck abhängt. Eine Änderung dieser Einstellung kann sich negativ auf den Fortschritt des Prozesses auswirken.
Im luftleeren Raum, bekannt aus Raffinerien. Konventionelle Destillationsmethoden trennen leichte Kohlenwasserstoffe und Verunreinigungen von schweren Kohlenwasserstoffen. Das verbleibende Produkt wird einer Vakuumdestillation unterzogen. Dadurch ist es möglich, hochsiedende Kohlenwasserstoffe wie Öle und Wachse bei niedrigen Temperaturen abzutrennen. Das Verfahren wird auch bei der Trennung wärmeempfindlicher organischer chemischer Verbindungen und bei der Rückgewinnung organischer Lösungsmittel eingesetzt.
Was ist Wasserdampfdestillation?
Die Wasserdampfdestillation ist eine alternative Destillationsmethode bei Temperaturen unterhalb des normalen Siedepunkts. Es wird verwendet, wenn die destillierte Substanz nicht mischbar ist und nicht chemisch mit Wasser reagiert. Beispiele für solche Materialien sind Fettsäuren und Sojaöl. Bei der Destillation wird Wasserdampf in die Flüssigkeit eingeleitet, wodurch diese erhitzt wird und verdampft.
Destillation in einer Füllkörperkolonne
Obwohl Füllkörperkolonnen am häufigsten für die Absorption verwendet werden, werden sie auch für die Destillation von Dampf-Flüssigkeits-Gemischen verwendet. Dieses Design bietet eine große Kontaktfläche, was die Effizienz des Systems erhöht. Ein anderer Name für dieses Design ist eine Destillationskolonne.
Das Funktionsprinzip ist wie folgt. Das Rohgemisch aus Komponenten unterschiedlicher Flüchtigkeit wird in die Mitte der Kolonne eingespeist. Die Flüssigkeit strömt durch die Düse nach unten und der Dampf bewegt sich nach oben. Die Mischung am Boden des Tanks gelangt in den Vorwärmer und verlässt ihn mit Dampf. Das Gas strömt durch die Packung nach oben, nimmt die flüchtigsten Bestandteile der Flüssigkeit auf, verlässt die Kolonne und gelangt in den Kondensator. Nach der Verflüssigung gelangt das Produkt in den Rückflussbehälter, wo es in ein Destillat und eine zur Bewässerung verwendete Fraktion getrennt wird.
Unterschiedliche Konzentrationen führen dazu, dass die schwerer flüchtigen Bestandteile von der Dampfphase in die flüssige Phase übergehen. Die Düse erhöht die Kontaktdauer und -fläche, was die Abscheideeffizienz erhöht. Am Austritt enthält der Dampf die maximale Menge an flüchtigen Bestandteilen, während deren Konzentration in der Flüssigkeit minimal ist.
Düsen werden in Großpackungen und Paketen abgefüllt. Die Form des Füllstoffs kann entweder zufällig oder geometrisch strukturiert sein. Es besteht aus Materialien wie Ton, Porzellan, Kunststoff, Keramik, Metall oder Graphit. Der Füllstoff hat typischerweise Abmessungen von 3 bis 75 mm und verfügt über eine große Oberfläche im Kontakt mit dem Dampf-Flüssigkeits-Gemisch. Die Massenabfüllung bietet den Vorteil eines hohen Durchsatzes, einer hohen Druckbeständigkeit und geringer Kosten.
Metallfüllstoffe haben eine hohe Festigkeit und gute Benetzbarkeit. Keramik hat eine noch höhere Benetzbarkeit, ist aber nicht so stark. Die Kunststoffe sind stark genug, benetzen aber bei niedrigen Durchflussraten nicht gut. Da keramische Füllstoffe korrosionsbeständig sind, werden sie bei erhöhten Temperaturen eingesetzt, denen Kunststoff nicht standhalten kann.
Paketdüsen sind ein strukturiertes Netz, dessen Abmessungen dem Durchmesser der Säule entsprechen. Bietet lange Kanäle für Flüssigkeits- und Dampfströme. Sie sind teurer, ermöglichen aber die Reduzierung von Druckverlusten. Paketdüsen werden bei niedrigen Durchflussraten und niedrigen Druckbedingungen bevorzugt. Sie bestehen normalerweise aus Holz, Blech oder gewebtem Netz.
Sie werden zur Lösungsmittelrückgewinnung und in der petrochemischen Industrie eingesetzt.
Destillation in einer Destillationskolonne
Der am häufigsten verwendete Säulentyp. Die Anzahl der Böden richtet sich nach der gewünschten Reinheit und der Komplexität der Trennung. Es beeinflusst die Höhe der Destillationskolonne.
Sein Funktionsprinzip ist wie folgt. Die Mischung wird in der Mitte der Kolonnenhöhe zugeführt. Der Konzentrationsunterschied führt dazu, dass die weniger flüchtigen Komponenten vom Dampfstrom in den Flüssigkeitsstrom übergehen. Das den Kondensator verlassende Gas enthält die am stärksten flüchtigen Stoffe, während die weniger flüchtigen Stoffe durch den Erhitzer in den Flüssigkeitsstrom austreten.
Die Geometrie der Platten in der Kolonne beeinflusst den Grad und die Art des Kontakts zwischen verschiedenen Phasenzuständen der Mischung. Strukturell handelt es sich um Siebe, Ventile, Kappen, Gitter, Kaskaden usw. Siebböden mit Dampflöchern werden verwendet, um eine hohe Leistung bei geringen Kosten zu gewährleisten. Billigere Ventilböden, bei denen die Öffnungen mit Öffnungs- und Schließventilen versehen sind, neigen durch Materialansammlungen zu Verstopfungen. Kappen sind mit Kappen ausgestattet, die den Dampf durch winzige Löcher durch die Flüssigkeit strömen lassen. Dies ist die fortschrittlichste und teuerste Technologie, die bei niedrigen Durchflussraten effektiv ist. Die Flüssigkeit fließt von einer Platte zur anderen durch die vertikalen Abflussrohre.
Bodenkolonnen werden häufig zur Rückgewinnung von Lösungsmitteln aus Prozessabfällen eingesetzt. Sie werden auch zur Methanolrückgewinnung in einem Trocknungsvorgang eingesetzt. Wasser entsteht als flüssiges Produkt und flüchtige organische Abfälle gehen in die Dampfphase über. Das ist die Destillation in einer Destillationskolonne.
kryogene Destillation
Unter kryogener Destillation versteht man die Anwendung allgemeiner Destillationsmethoden auf Gase, die auf einen flüssigen Zustand abgekühlt wurden. Das System arbeitet bei Temperaturen unter -150 °C. Hierzu werden Wärmetauscher und Spulen verwendet. Die gesamte Struktur wird als Kryoblock bezeichnet. gelangen in den Block und werden bei sehr niedrigen Temperaturen destilliert. Kryo-Destillationskolonnen können gepackt und verpackt werden. Das Chargendesign wird bevorzugt, da Schüttgut bei niedrigen Temperaturen weniger effektiv ist.
Eine der Hauptanwendungen der kryogenen Destillation ist die Zerlegung von Luft in ihre Gasbestandteile.
Extraktive Destillation
Bei der extraktiven Destillation werden zusätzliche Verbindungen verwendet, die als Lösungsmittel wirken und die relative Flüchtigkeit einer der Komponenten der Mischung verändern. In der Extraktivkolonne wird den zu trennenden Stoffen ein Lösungsmittel zugesetzt. Der zurückzugewinnende Bestandteil des Zufuhrstroms verbindet sich mit dem Lösungsmittel und tritt in der flüssigen Phase aus. Die andere Komponente verdampft und gelangt in das Destillat. Eine zweite Destillation in einer anderen Kolonne trennt die Substanz vom Lösungsmittel, das dann zur vorherigen Stufe zurückgeführt wird, um den Zyklus zu wiederholen.
Die extraktive Destillation dient der Trennung von Verbindungen mit nahe beieinander liegenden Siedepunkten und azeotropen Gemischen. Aufgrund der Komplexität des Aufbaus ist die extraktive Destillation in der Industrie nicht so weit verbreitet wie die konventionelle Destillation. Ein Beispiel ist der Prozess der Zellulosegewinnung. trennt Cellulose von Lignin und die zweite Destillation ermöglicht es Ihnen, eine reine Substanz zu erhalten.
