Destillation

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1. Allgemeines über die Destillation

1.1 Was ist eine Destillation ?

Der Begriff Destillation stammt aus dem Lateinischem, im Ursprung destillatio, und bedeutet wörtlich übersetzt herabtreufeln. Wie man sich aus dem Wort herabtreufeln schon denken kann, hat die Destillation etwas mit Flüssigkeiten zu tun. Die Destillation ist ein thermisches Trennverfahren für flüssig-flüssig und für flüssig-fest Gemische. Die Destillation beruht auf den unterschiedlichen stoffspezifischen Siedepunkten von Stoffen im Gemisch und auf der unterschiedlichen Zusammensetzung des Gemisches im flüssigen und im dampfförmigen Zustand. Unter destillieren versteht man also das Verdampfen von Gemischen, gefolgt von der Kondensation und dem getrennten auffangen der Gemischteile. 

1.2 Was geschieht bei einer Destillation ?

1.2.1 Der Vorgang der Destillation

Temperaturbedingte Schwingungen der Moleküle verhindern, daß sich diese anordnen können. Bei Stoffen, die bei Zimmertemperatur flüssig vorliegen, sind die Wechselwirkungen ( Van der Waals Kräfte ) zwischen den Molekülen zwar groß genug, um den Stoff in dem flüssigen Zustand zu halten, jedoch schwingen die Moleküle durch die hohe Temperatur noch so stark, daß der Stoff sich sowieso nicht verfestigen kann. Unter Van der Waalschen Kräfte versteht man schwache, zwischenmolekulare Kräfte, die zwischen kurzzeitig auftretenden Dipolen wirksam werden. Sie ermöglichen die Verflüssigung und das Festwerden gasförmiger Stoffe, die atomar oder aus kleinen unpolaren Molekülen aufgebaut sind.
Erhitzt man nun eine Flüssigkeit oder auch ein Flüssigkeitsgemisch, stoßen sich die Moleküle der Flüssigkeit teilweise so stark an, daß es einzelnen Molekülen gelingt, sich von der Flüssigkeit zu lösen. Geschieht dies unterhalb des Siedepunktes einer Flüssigkeit spricht man vom Verdunsten. Bei Erreichen des Siedepunktes sind die temperaturbedingten Schwingungen der Moleküle so stark, daß die Flüssigkeit siedet und vollständig in den dampfförmigen Zustand übergeht. Der Flüssigkeit wird also Energie in Form von Wärme zugeführt. Infolge der stärkeren Molekularbewegung der Flüssigkeitsteilchen beim erreichen des Siedepunktes überwinden die Flüssigkeitsmoleküle ihre molekularen Bindungskräfte, die Van der Waalschen Kräfte, und durchstoßen die Flüssigkeitsoberfläche. Diese Flüssigkeitsmoleküle, der Dampf also, werden aufgefangen und abgekühlt. Den wieder zur Flüssigkeit gekühlten Dampf nennt man Kondensat oder auch Destillat. Verunreinigungen wie z.B. gelöste Salze oder auch höher siedende Flüssigkeiten bleiben im Einsatzbehältnis zurück.
Den Vorgang des Verdunstens und Destillierens kann man sich auf einfache Weise veranschaulichen:
In einem riesigen Topf befinden sich Tausende kleiner Männchen. Bei einer angenehmen Temperatur geht der Eine mal hierhin, der Andere mal dorthin. Ab und zu schaut mal Einer über den Topfrand und klettert hinaus oder wird herausgeschubst. Erhöht man nun die Temperatur im Topf, wird es hektisch. Die Männchen versuchen der Hitze auszuweichen, sie stoßen einander immer öfter an, und es springen immer mehr über den Rand. In dem Topf jedoch ist die Hölle los. Die Männchen rasen hin und her und verlassen den Topf fluchtartig, bis die Temperatur wieder auf ein angenehmes Niveau gesunken ist oder alle Männchen den Topf verlassen haben.

1.2.2 Destillatives trennen

Liegt z.B. ein Methanol (CH3OH) - Wasser (H2O) - Gemisch vor, stellt sich beim Erhitzen des Flüssigkeitsgemisches zuerst die Siedetemperatur des niedriger siedenden Bestandteils ein. Methanol siedet bei 65°C. Das Methanol verdampft. Der Dampf wird nun aufgefangen und gekühlt, bis die Siedetemperatur der destillierten Flüssigkeit unterschritten ist. Der Dampf kondensiert.
Der Methanoldampf enthält aber nun immer noch einen gewissen Anteil an Wasser. Dies liegt zum einen daran, daß einige Methanolmoleküle beim Durchstoßen der Flüssigkeitsoberfläche Wassermoleküle mitreißen, zum anderen daran, daß bei jeder Flüssigkeit auch schon vor Erreichen des Siedepunktes etwas Flüssigkeit verdunstet und verdampft. Dieses Verdampfen nimmt mit steigender Temperatur zu und ist bei der Destillation ungewollt und hinderlich.
Die Temperatur des Methanol-Wasser-Gemisches und des Dampfes bleibt solange bei 65°C, bis das Methanol gänzlich verdampft ist. Erst jetzt steigt die Temperatur der Flüssigkeit und des Dampfes auf 100°C an, und das Wasser beginnt zu sieden und zu verdampfen. Der Temperaturanstieg geschieht nicht plötzlich,  sondern langsam. Das hat seine Gründe darin, daß die letzten Methanolmoleküle eine höhere Energiemenge brauchen, um die Flüssigkeitsoberfläche zu durchstoßen.

1.3 Der Siedepunkt

Der Siedepunkt ist der Punkt einer Flüssigkeit, bei der sie in den dampfförmigen Zustand übergeht und die Temperaturen von Dampfphase und Flüssigkeit gleich sind. Ist der Siedepunkt erst einmal durch Erhitzen der Flüssigkeit erreicht, steigt die Temperatur der Flüssigkeit solange nicht weiter an bis die Flüssigkeit vollständig verdampft ist. Der Dampf über der Flüssigkeit hat die gleiche Temperatur wie die Flüssigkeit selber. Zum Erhitzen einer Flüssigkeit bis zum Siedepunkt wird immer weniger Energie benötigt als Energie benötigt wird, um die Flüssigkeit vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand zu bringen.
Der Siedepunkt ist von verschiedenen Größen abhängig: einmal von dem Dampfdruck ( siehe 1.3.2 ) und weiterhin vom Aussendruck ( siehe 2. ), den die Flüssigkeit überwinden muß.

1.3.1 Die molekularen Anziehungskräfte

In Punkt 1.2.1 wurde erwähnt, daß die Flüssigkeitsmoleküle zum Destillieren nicht nur Energie zum Durchstoßen der Flüssigeitsoberfläche brauchen, sondern auch zum Überwinden molekularer Anziehungskräfte. Ein Beispiel für die molekularen Bindungskräfte ist die Wasserstoffbrückenbildung. Je höher die molekularen Bindungskräfte desto höher ist der Siedepunkt. Die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen eines Zweistoffgemisches aus den Flüssigkeiten A&B können unterschiedlich groß sein. Wenn die Wechselwirkung zwischen den Molekülpaaren A&A, A&B und B&B gleich groß sind, spricht man von einem idealem Gemisch. Sind die Van der Waalschen Kräfte zwischen den Molekülpaaren A&A, A&B, B&B jedoch unterschiedlich groß, liegt ein Azeotropes Gemisch vor. ( Siehe 4. ). Azeotrope Gemische lassen sich nur bis zu einem gewissem Grad destillativ trennen.

1.3.2 Der Dampfdruck

Jede Flüssigkeit hat einen Dampfdruck, der aber im allgemeinem nicht ausreicht, um die Flüssigkeit verdampfen zu lassen. Hierzu muß Energie in Form von Wärme (Verdampfungswärme) zugeführt werden. Unter Verdampfungswärme eines Stoffes versteht man diejenige Wärmemenge in Kilojoule, die notwendig ist, um ein Kilogramm einer Flüssigkeit in Dampf gleicher Temperatur zu verwandeln.
Der Dampfdruck entsteht durch das Bestreben eines jeden Stoffes, den maximalen Raum einzunehmen. Bei festen Stoffen sind die Bindungskräfte stärker als der Dampfdruck.. Bei Flüssigkeiten sind die Bindungskräfte nicht so stark wie bei Feststoffen, der Dampfdruck reicht aber im allgemeinen noch nicht aus, um den Stoff zu verdampfen. Gase haben einen sehr hohen Dampfdruck (Siedepunkt unter 0°C ). Beim absolutem Nullpunkt ( 0K ) ist der Dampfdruck aller Stoffe gleich Null.
Führt man einer Flüssigkeit nun Verdampfungswärme zu, so steigt ihre Temperatur und damit der Dampfdruck. Mit steigender Temperatur verdampfen nun immer mehr Flüssigkeitsteilchen. Der Dampfdruck ist also temperaturabhängig.

1.4 Der Siedeverzug

Bei allen Destillationsarten, vornehmlich der Vakuumdestillation ( siehe 2.2 ), können sogenannte Siedeverzüge eintreten.Wird nämlich aus irgendeinem Grund ungewollt die Flüssigkeit über ihren Siedepunkt erhitzt, ohne daß sie siedet, so enthält sie lose gebundene, überschüssige Energie. Ein plötzlich auftretendes Sieden verursacht dann die Bildung einer großen Dampfmenge, wobei die Flüssigkeit überschäumt. Da sich durch die plötzliche Dampfbildung der Druck in der Destillationsapparatur stark erhöht, kann diese platzen.
Eine Ursache des Siedeverzuges kann z.B. das langsame Aufheizen, ohne Durchmischung oder das plötzliche Herabsetzen des Aussendruckes sein. Zur Vermeidung des Siedeverzuges wird die Flüssigkeit also immer gut durchmischt. Sollte eine Flüssigkeit einmal unbeabsichtigt überhitzt werden, so ist darauf zu achten, daß die Flüssigkeit nicht plötzlich durchmischt wird, ohne vorher heruntergekühlt zu werden, da sie sonst sofort anfängt zu sieden und in den Siedeverzug übergeht.

1.5 Die Destillationsapparatur

1.5.1 Gerätschaften

Zur Durchführung einer einfachen Destillation werden folgende Apparaturen benötigt:
- beheizbarer Flüssigkeitsbehälter
- Durchmischungsvorrichtung
- Brüdenabführung
- Kühlvorrichtung
- Destillatbehälter

1.5.2 Destillatkühlung

Die Kühlung des Dampfes sollte im Gegenstromverfahren erfolgen. Dadurch ergibt sich eine verhältnismäßig gleichbleibende Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Kondensat - Dampf. Das gekühlte Kondensat trifft auf das kalte Kühlmedium und der heiße Dampf auf das aufgewärmte Kühlmedium. Es ergibt sich ein stärkerer Kühleffekt; das Kondensat hat eine geringere Temperatur.

2. Destillation unter verschiedenen Drücken

2.1 Die Normaldruckdestillation

Bei der Normaldruckdestillation wird der Dampfdruck der Flüssigkeit solange durch Wärmezufuhr erhöht, bis er den Außendruck erreicht. Der Außendruck bei einer Normmaldruckdestillation ist mit dem Luftdruck gleichzusetzen ( 1013 mbar ). Hierzu wird im Vergleich zu anderen Destillationsverfahren eine höhere Energiemenge benötigt, bis der Siedepunkt einer Flüssigkeit erreicht ist. Da die Normaldruckdestillation aber ein technisch einfaches Verfahren ist, wird sie dennoch oft verwendet.

2.2 Die Vakuumdestillation

Da zur Überwindung des Außendruckes eine relativ große Wärmemenge nötig ist, wird bei der Vakuumdestillation der Außendruck einfach herabgesetzt.
Dies hat zur Folge, daß die Siedepunkte der Flüssigkeiten sich verringern, da der Dampfdruck einer Flüssigkeit durch Wärmezufuhr nicht mehr so stark erhöht werden muß, um den Außendruck zu überwinden. Insgesamt ist ein geringerer Energiebedarf als bei der Normaldruckdestillation notwendig.
Vor allem in der organischen Chemie kommt es häufig vor, daß Stoffe sich bei zu hohen Temperaturen zersetzen oder in Reaktion übergehen. Hier liegt ein weiterer Vorteil der Vakuumdestillation, da die Siedetemperatur der Vakuumdestillation unter der Siedetemperatur der Normaldruckdestillation liegt.

2.3 Die Überdruckdestillation

Die Überdruckdestillation wird zur Verbesserung des Reinigungseffektes benötigt. Bei eng aneinanderliegenden Siedetemperaturen eines Flüssigkeitsgemisches wird der Außendruck und dadurch auch die Temperaturdifferenz der Siedepunkte erhöht. Durch den Überdruck wird eine höhere Destillationstemperatur erreicht, wodurch sich die Löslichkeit der Flüssigkeiten verbessern. Auch um eine chemische Reaktion zu starten, kann es notwendig sein, die Flüssigkeiten zu "überhitzen", also über den normalen Siedepunkt zu bringen.

3. Die verschiedenen Destillationsarten

3.1 Die einfache Destillation

Eine einfache Destillation wird auch als Strippen bezeichnet. Sie wird vor allen Dingen durchgeführt, wenn die Siedepunkte der zu trennenden Komponenten weit auseinander liegen ( ?T>50°C ). Dabei wird aber keine vollständige Trennung erreicht, da im Destillat Spuren der höhersiedenden Komponente enthalten sind.

3.1.1 Die Mehrfachdestillation 

Zur Verbesserung des Reinigungseffektes kann die einfache Destillation mehrmals wiederholt werden. Da im Destillat der Anteil der höher siedenden Flüssigkeit geringer als in der Einsatzlösung ist, wird diese als Einsatzlösung für eine nachfolgende Destillation genommen ( theoretischer Boden ). Hierdurch verringert sich der Anteil der höher siedenden Komponente mit jeder Destillationsstufe. Dieses Verfahren ist allerdings mit hohem technischem Aufwand verbunden und wird deshalb selten genutzt.

3.1.2 Die Rückflußdestillation

Wesentlich einfacher, zur Verbesserung des Reinigungseffektes, ist die Rückflußdestillation. Es wird in einer Destillationsapparatur eine mehrfache Destillation durchgeführt. Hierbei wird ein Teil des verflüssigten Dampfes wieder oben in die Destillationsapparatur zurückgeführt. Die aufsteigenden Brüden geben nun Wärmeenergie an das zurückgeleitete Kondensat ab. Die höher siedenden Teile der Brüden kondensieren als erstes und fließen zurück in den Einsatzbehälter, wobei sich dieser Vorgang wiederholt. Bei dem zurückgeleiteten Kondensat hingegen verdampfen als erstes die niedrig siedenden Bestandteile und werden nach dem Kondensieren in Destillat und Rückfluß aufgeteilt. Zur Qualitätserhöhung des Destillates wird eine hohe Rückflußmenge zurückgeleitet, wobei allerdings die Quantität (Abnahmemenge) leidet. Das Verhältnis zwischen Rückfluß und Abnahme spielt für eine wirtschaftliche Destillation eine große Rolle und sollte, je nach Anforderungen, große Reinheit oder großer Durchsatz, maximal eingestellt werden. Folgende Parameter der Fahrweise haben Einfluß auf die Wirksamkeit der Kolonne:
- das Rücklaufverhältnis
- die Belastung -> in der Zeiteinheit durchgesetzte Substanzmenge (Destillatmenge + Rücklaufmenge)
- der Betriebsinhalt -> insgesamt in der Kolonne durchgesetzte Substanzmenge