Inhoud
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 brandstoftoepassingen, oceaanwater heeft een hoog zoutgehalte en ijzererts bevat minerale onzuiverheden naast bruikbaar ijzer. Door de eeuwen heen hebben mensen talloze manieren ontwikkeld om natuurlijke materialen te verfijnen of te zuiveren. Eenvoudige destillatie en fractionele destillatie zijn twee variaties op een basistechniek voor het scheiden van verschillende componenten van een vloeistof.
Dampen en verdamping
De relatie tussen temperatuur en verdamping is essentieel voor het begrijpen van zowel eenvoudige als fractionele destillatie. Wanneer een vloeistof zich in een open houder bevindt, oefent de atmosfeer een neerwaartse druk uit op het oppervlak van de vloeistof. Deze atmosferische druk gaat de dampspanning van de vloeistof tegen, die wordt gecreëerd door de kinetische energie van moleculen die verdampen van het oppervlak van de vloeistof. 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 vindt plaats wanneer moleculen vrij kunnen verdampen omdat de vloeistof een temperatuur heeft bereikt waarbij de dampdruk gelijk is aan de atmosferische druk.
Eenvoudige scheiding
Verschillende verbindingen hebben verschillende kooktemperaturen. Evenzo zullen bij elke gegeven temperatuur verschillende verbindingen verschillende dampdrukken hebben. Als een vloeibaar mengsel van verschillende verbindingen in een gesloten container wordt verwarmd, zal de samenstelling van de damp die boven de vloeistof is gevangen deze verschillen weerspiegelen. De damp zal meer moleculen van verbindingen met hogere dampdruk bevatten en minder moleculen van verbindingen met lagere dampdruk. Een verbinding met een zeer hoge kooktemperatuur ten opzichte van de andere verbindingen in het mengsel zal vrijwel afwezig zijn in de damp en niet-vluchtige opgeloste vaste stoffen, zoals zout, zullen als sediment in de verwarmde houder achterblijven. Eenvoudige destillatie is het proces van het verzamelen van deze damp en het afkoelen zodat het terugvloeit in een vloeistof. Eenvoudige destillatie scheidt de componenten van een vloeibaar mengsel omdat de gecondenseerde vloeistof een groter aandeel verbindingen met hogere dampdruk bevat en de oorspronkelijke vloeistof een groter aandeel verbindingen met lagere dampdruk bevat.
Destillatie-dilemma
Eén eenvoudige destillatie verandert het aandeel van de verbindingen in de twee laatste vloeistoffen, maar bereikt geen volledige scheiding. Het proces kan worden herhaald om steeds hogere scheidingsgraden te bereiken, maar dit is ook verspillend omdat tijdens elke destillatieprocedure sommige moleculen in de atmosfeer ontsnappen en sommige achterblijven in de destillatie-apparatuur. Fractionele destillatie pakt dit dilemma aan - verbetering van eenvoudige destillatie door hogere scheidingsgraden te bereiken in slechts één destillatieprocedure.
Eén kolom, meerdere verdampingen
Het primaire verschil tussen fractionele 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 metalen draden of glasparels, die condensatie bevorderen omdat ze een groot oppervlak hebben. Terwijl de dampen door de fractioneerkolom stijgen, condenseren ze in vloeistof op de koelere oppervlakken van deze materialen. Hete dampen die van onderaf opstijgen, zorgen ervoor dat deze vloeistof verdampt, dan condenseert het opnieuw, dan verdampt het weer enzovoort. Elke verdamping resulteert in damp met een groter aandeel moleculen met hogere dampdruk. Aldus bereikt gefractioneerde destillatie een superieure scheiding met minder materiaalverlies omdat één procedure equivalent is aan meerdere ronden van eenvoudige destillatie.