Destillation

Grundprinzip und Bedeutung

Destillation ist ein thermisches Trennverfahren. Sie dient dazu, verdampfbare Flüssigkeiten zu gewinnen oder ein Lösungsmittel von schwer verdampfbaren Stoffen abzutrennen. Das Ausgangsgemisch wird zum Sieden gebracht; die flüchtigen Bestandteile gehen in die Gasphase über, werden in einem Kondensator abgekühlt und wieder verflüssigt. Die aufgefangene Flüssigkeit heißt Destillat, die zurückbleibende Flüssigkeit Destillationssumpf oder kurz Sumpf. Anders als bei vielen anderen Trennverfahren müssen in der Regel keine zusätzlichen Adsorbentien oder Lösungsmittel eingesetzt werden.

Die Trennung beruht auf unterschiedlichen Dampfdrücken bei gleicher Temperatur und damit meist auf unterschiedlichen Siedepunkten. Bei einem binären Gemisch aus zwei mischbaren Flüssigkeiten enthält der Dampf gewöhnlich einen größeren Anteil der niedriger siedenden Komponente als die siedende Flüssigkeit. Durch Kondensation entsteht deshalb ein daran angereichertes Destillat. Unterschiedliche Siedepunkte sind für eine solche Trennung notwendig, reichen allein aber nicht immer aus. In der Praxis stellt sich das Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf zudem nicht vollständig ein.

Das Destillationsgut darf sich beim Erhitzen nicht zersetzen. Ist die erforderliche Siedetemperatur zu hoch, kann bei vermindertem Druck gearbeitet werden. Die sogenannte trockene Destillation fester Stoffe ist nach heutiger Auffassung dagegen keine destillative Trennung: Dabei werden nicht verdampfbare Stoffe in kleinere Moleküle zerlegt. Dieses Verfahren wird besser als Thermolyse oder Pyrolyse bezeichnet.

Typische Anwendungen sind das Brennen von Alkohol, die Aufarbeitung von Erdöl in Raffinerien und die Herstellung von destilliertem Wasser.

Einfache, fraktionierte und mehrstufige Trennung

Bei der einfachen Destillation wird das Gemisch mit einer Heizquelle wie Heizhaube oder Heizbad erwärmt. Die Zielkomponente verdampft, steigt zum Kühler auf und kondensiert dort. Im Labor wird häufig ein Liebigkühler verwendet. Ein Thermometer zeigt die Kopftemperatur des Dampfes an und hilft zu kontrollieren, welche Komponente gerade übergeht; ein Auffangkolben nimmt das Destillat auf. So lassen sich beispielsweise gelöste Salze oder andere Feststoffe aus einer Flüssigkeit abtrennen, obwohl sie durch Filtration nicht aus einer echten Lösung entfernt werden können.

Bei Gemischen aus mehreren flüchtigen Komponenten reicht eine einmalige Verdampfung und Kondensation häufig nicht aus. Bei der fraktionierten Destillation werden nacheinander mehrere Fraktionen, also Teilmengen des Destillats, aufgefangen. Nach der am niedrigsten siedenden Fraktion wird das Vorlagegefäß gewechselt. Eine Änderung der Kopftemperatur zeigt den passenden Zeitpunkt an. Zwischen zwei reinen Fraktionen wird meist eine Zwischenfraktion gesammelt, weil im Übergangsbereich ein Gemisch übergeht und sich noch Reste der vorherigen Fraktion im Kühler befinden können.

Eine bessere Trennung entsteht durch wiederholtes Verdampfen und Kondensieren. Bei der Rektifikation übernimmt eine Kolonne zwischen Destillationsblase und Destillationskopf viele solcher Trennschritte innerhalb eines Apparats. In ihr stellt sich an großen Oberflächen ständig ein neues Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf ein. Nach oben nimmt der Anteil der niedriger siedenden Komponente zu, während die höher siedende Komponente in den Sumpf zurückfließt. Vigreux-Kolonnen, Füllkörper und strukturierte Packungen vergrößern die wirksame Oberfläche. Die Zahl der Einzeldestillationen, die für dieselbe Trennleistung nötig wären, heißt theoretische Bodenzahl.

In industriellen Rektifikationskolonnen strömt der Dampf durch mehrere Böden nach oben, während Kondensat nach unten fließt. Edukte können kontinuierlich zugeführt und Produkte fortlaufend entnommen werden. Die Begriffe fraktionierte Destillation und Rektifikation werden häufig synonym gebraucht; streng genommen bedeutet Fraktionieren lediglich das getrennte Auffangen mehrerer Fraktionen.

Druck, Azeotrope und zugesetzte Hilfsstoffe

Ein Azeotrop ist ein Gemisch, bei dem sich Siede- und Taupunktkurve bereits bei einer bestimmten Mischungszusammensetzung treffen. Durch gewöhnliche Destillation ist eine Trennung nur bis zu diesem Punkt möglich. Das Azeotrop aus Ethanol und Wasser liegt bei Umgebungsbedingungen ungefähr im Verhältnis 25 : 1 und erklärt den üblichen „96-prozentigen Alkohol“. Da das azeotrope Mischungsverhältnis vom Druck abhängt, kann eine weitere Trennung teilweise durch Vakuum- oder Überdruckdestillation beziehungsweise durch Azeotroprektifikation erreicht werden.

Bei der Vakuumdestillation herrscht ein verringerter Gesamtdruck. Dadurch sinken die Siedetemperaturen, sodass sich temperaturanfällige Gemische schonender trennen lassen. In Erdölraffinerien wird das Sumpfprodukt der atmosphärischen Destillation unter Vakuum weiterverarbeitet. Dabei entstehen vor allem Grundöle für Schmierstoffe und Vakuumgasöl, das als Edukt für Cat Cracker oder Hydrocracker dient.

Die Überdruckdestillation erhöht dagegen durch Überdruck die Siedepunktunterschiede. Sie wird vor allem für Stoffe mit sehr niedrigen, eng beieinanderliegenden Siedepunkten eingesetzt, etwa bei der Luftverflüssigung. Auch schwer destillierbare Pflanzenöle können mit überhitztem Wasserdampf unter Überdruck gewonnen werden.

Bei der Schleppdestillation wird ein Stoff zugesetzt, der das Produkt mitführt. Die bekannteste Form ist die Wasserdampfdestillation für wärmeempfindliche Stoffe mit geringem Dampfdruck, beispielsweise zur Gewinnung ätherischer Öle aus Pflanzen oder zur Reinigung substituierter Aromaten.

Bei der azeotropen Destillation bildet ein zugesetztes Lösungsmittel mit dem abzutrennenden Stoff ein Azeotrop. Bei einer sauer katalysierten Veresterung kann Wasser beispielsweise zusammen mit Toluol, Hexan oder Chloroform nahezu vollständig entfernt werden. Das entstehende Heteroazeotrop zerfällt beim Kondensieren in zwei Phasen, sodass ein Wasserabscheider die Rückführung des Lösungsmittels ermöglicht. Bei der Extraktivdestillation wird stattdessen ein hochsiedender, nicht flüchtiger, mischbarer Stoff zugesetzt, der kein Azeotrop mit den zu trennenden Stoffen bildet, etwa eine ionische Flüssigkeit. Er verändert das Phasengleichgewicht und kann die Trennung eng siedender oder azeotroper Gemische erleichtern.

Schonende Spezialverfahren

Die Dünnschichtdestillation vermindert den thermischen Stress durch kurze Verweilzeiten in der Heizzone und meist durch den Betrieb unter Vakuum. Das Gemisch fließt als dünner Film an der Innenwand eines beheizten Zylinders nach unten. Ein Wischersystem verteilt den Film gleichmäßig und turbulent, verbessert Wärme- und Stoffübergang und lässt leicht siedende Bestandteile schnell verdampfen. Die Dämpfe, auch Brüden genannt, kondensieren in einem externen Kondensator. Der minimale Arbeitsdruck liegt bei etwa 1 mbar. Das Verfahren eignet sich besonders für hochviskose Materialien; ein ähnliches Laborverfahren ist das Entfernen von Lösungsmitteln mit einem Rotationsverdampfer.

Die Kurzwegdestillation oder Molekulardestillation arbeitet im Feinvakuum zwischen 1 und 0,001 mbar. Der Dampf legt zwischen Verdampfer und Kondensator nur einen sehr kurzen Weg zurück; in Industrieanlagen beträgt der Abstand teilweise nur wenige Millimeter. So lassen sich thermisch empfindliche Stoffe wie Tocopherole, Fettsäureester, Monoglyceride, Prepolymere, Epoxidharze und Pharmawirkstoffe bei relativ niedrigen Temperaturen trennen. Auch schwer verdampfbare langkettige Kohlenwasserstoffe aus Rückständen der Mineralölindustrie sind geeignet. Kombinierte Systeme nutzen einen Dünnschichtverdampfer mit innenliegendem Kondensator. Die Kugelrohrdestillation ist eine abgewandelte Form und wird im Labor für kleine Substanzmengen eingesetzt.

Die Reaktivdestillation verbindet eine mehrstufige Destillation mit einer chemischen Reaktion. Sie eignet sich besonders für gleichgewichtslimitierte Reaktionen: Wird ein Reaktionspartner ständig abdestilliert, stellt sich das Gleichgewicht neu ein und ein vollständiger Umsatz kann möglich werden. Die Reaktion kann außerdem Azeotrope brechen; bei exothermen Reaktionen lässt sich die frei werdende Wärme zur Trennung nutzen. Das Verfahren scheidet aus, wenn die optimalen Temperaturbereiche von Reaktion und Stofftrennung nicht zusammenpassen. Homogene Katalysatoren müssen anschließend in einer weiteren Stufe abgetrennt werden; heterogene Katalysatoren können als reaktive Packungen in die Kolonne eingebaut sein. Industriell wird das Verfahren trotz intensiver Forschung relativ selten verwendet, ist aber für die Kaliumproduktion wichtig.

Weitere Erscheinungsformen und Entwicklung

Bei der Zonendestillation befindet sich der Stoff in einem länglichen Behälter. Eine bewegte flüssige Zone entsteht durch partielles Schmelzen; der Dampf kondensiert im kälteren Bereich direkt zur festen Phase. Bewegt sich der Zonenerhitzer von oben nach unten, kann ein festes Kondensat mit gezielt verteilten Beimischungen entstehen, aus dem der reinste Teil abgetrennt wird. Wiederholte Durchgänge verstärken die Reinigungswirkung. Das Verfahren ist das destillative Gegenstück zur Zonenumkristallisation; in deren Gleichungen wird der Verteilungskoeffizient k durch den Separationskoeffizienten α ersetzt.

Destillationsähnliche Vorgänge können unbeabsichtigt auftreten. In Absaugrohren kondensieren zuvor verdampfte Stoffe und verursachen langfristig Verstopfungen oder Anbackungen. Beispiele sind Fettablagerungen in Dunstabzugshauben, Wasserkondensat in Druckluftschläuchen, das bei tiefen Temperaturen gefrieren kann, und die Versottung von Kaminen.

Die Grundlagen Verdampfung, Kondensation und Gemischtrennung waren lange vor spezialisierten Apparaten bekannt. Eindeutige frühe Nachweise sind schwierig, weil ältere Quellen auch Filtration, Kristallisation, Extraktion und Sublimation als Destillation bezeichneten. Detaillierte zusammengesetzte Geräte mit Kolben, Alembik und Vorlage sind aus der spätantiken Alchemie um Zosimos von Panopolis im 3./4. Jahrhundert n. Chr. beschrieben. Zwischen dem 8. und 10. Jahrhundert entwickelten Gelehrte der islamischen Welt die Laborpraxis weiter; seit dem 12. Jahrhundert gelangten entsprechende Schriften durch lateinische Übersetzungen nach Europa.

Im Spätmittelalter wurden Pflanzenwässer, Arzneimittel und aqua vitae, also hochprozentige Weindestillate, hergestellt. Hieronymus Brunschwig fasste 1500 im Kleinen Destillierbuch verschiedene Apparate und Wärmemethoden zusammen. Seit dem 18. und 19. Jahrhundert prägten chemische Manufakturen und die Industrie die Entwicklung. Das Prinzip des wassergekühlten Liebigkühlers geht auf Christian Ehrenfried Weigel im Jahr 1771 zurück. Rektifikationsverfahren und seit dem frühen 19. Jahrhundert entwickelte kontinuierliche Destillationskolonnen ermöglichten die wirksame Trennung ähnlich siedender Stoffe und bilden bis heute die Grundlage großtechnischer Anlagen.