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Rektifikation (Verfahrenstechnik)
Die Rektifikation, auch Gegenstromdestillation genannt, ist ein thermisches Trennverfahren zum Auftrennen einer homogenen Lösung aus zwei oder mehr Stoffen.
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Grundprinzip und Trennwirkung
Rektifikation, auch Gegenstromdestillation, ist ein thermisches Trennverfahren für homogene Lösungen aus zwei oder mehr Stoffen. Sie erweitert die einfache Destillation: Viele Destillationsschritte laufen in einer Kolonne hintereinander ab. Dadurch kann die Anlage kontinuierlich arbeiten und erreicht eine deutlich größere Trennwirkung als eine einzelne Destillation. Gegenüber einer Kette von Einfachdestillationen ist eine Kolonne energetisch günstiger, technisch weniger aufwändig und platzsparender.
In der Kolonne steigt Dampf nach oben, während Flüssigkeit nach unten fließt. Beide Phasen treffen wiederholt im Gegenstrom aufeinander. Einbauten wie Glockenböden, Siebböden, Ventilböden, Füllkörper oder Packungen schaffen dafür große Kontaktflächen. An jedem Kontakt kondensiert ein Teil des Dampfes. Die dabei frei werdende Kondensationsenthalpie lässt zugleich Flüssigkeit verdampfen.
Bei festgelegter Temperatur und festgelegtem Druck besitzen Gas- und Flüssigphase nach ausreichend langem Kontakt eine Gleichgewichtszusammensetzung. Außer bei Reinstoffen und azeotropen Mischungen enthält die Gasphase mehr Leichtsieder als die Flüssigphase. Ein Leichtsieder ist die Komponente mit niedrigerem Siedepunkt, ein Schwersieder die mit höherem Siedepunkt. Deshalb wird der aufsteigende Dampf immer reicher an Leichtsieder, die nach unten fließende Flüssigkeit reicher an Schwersieder.
Ideale und reale Kolonnen
Als theoretischer Boden oder theoretische Stufe wird die Modellvorstellung bezeichnet, dass sich auf einem Kolonnenboden das Phasengleichgewicht vollständig einstellt. Eine Kolonne aus solchen Stufen heißt ideale Kolonne.
In einer idealen Kolonne mit zwei Böden werden beispielhaft Leichtsieder A und Schwersieder B bei gleicher Verdampfungsenthalpie getrennt. Ein Verdampfer im Sumpf verdampft vollständig, am Kopf findet Totalkondensation statt. Bei „unendlichem Rücklauf“ werden keine Stoffströme zu- oder abgeführt; der aufsteigende Gasstrom und der absteigende Flüssigkeitsstrom sind gleich groß. Auf jedem Boden kondensiert bevorzugt Schwersieder aus dem Dampf, während bevorzugt Leichtsieder verdampft. Nach dem zweiten Boden ist der Dampf daher weiter an Leichtsieder angereichert. Die Trennleistung steigt, wenn die Siedepunkte der Komponenten weiter auseinanderliegen und wenn die Kolonne mehr theoretische Böden besitzt. Ein Rektifikationsdiagramm kann die Zusammensetzungen der Komponenten an den theoretischen Böden darstellen.
Reale Kolonnen erreichen das Gleichgewicht jedoch meist nicht vollständig. Bei Bodenkolonnen liegt der Bodenwirkungsgrad bei maximal 0,7. Bei Packungskolonnen gibt es kein reales Gegenstück zu einzelnen Gleichgewichtsstufen; stattdessen wird die Zahl theoretischer Stufen pro Meter angegeben. Eine Laborkolonne mit strukturierter Gewebepackung aus Kohlenstoff erreicht bis zu 50 theoretische (Mixer-Settler-)Stufen pro Meter, eine Schlitzbodendestillationskolonne dagegen 0,7 bis 2 theoretische Stufen pro Meter.
Der Stoffübergang ist schwierig detailliert zu modellieren und zu messen. Hersteller geben die Trennleistung daher meist als Zahl theoretischer Stufen für eine bestimmte Mischung bei unendlichem Rücklauf an. Für Packungskolonnen werden HTU-NTU-Rechnungen verwendet: HTU bedeutet height of transfer unit, NTU number of transfer units. Die HTU muss experimentell bestimmt werden. Die Auslegungsgleichungen sind dennoch so gut, dass auch große Kolonnen allein auf Basis von Laborwerten gebaut werden können.
Betrieb und azeotrope Gemische
Kolonnen können kontinuierlich oder diskontinuierlich, also batchweise, betrieben werden. Im kontinuierlichen Betrieb wird das zu trennende Gemisch ständig als feed zugeführt; Kopfprodukt und Sumpfprodukt werden ständig entnommen. Die Zusammensetzung am Kopf, im Sumpf und auf den Böden bleibt gleich. Die Kolonne befindet sich dann in einem quasistationären Gleichgewichtszustand.
Im diskontinuierlichen Betrieb wird eine bestimmte Gemischmenge vorgelegt. Zunächst wird die Kolonne bei unendlichem Rücklauf betrieben, bis sich auf allen theoretischen Böden ein Gleichgewicht eingestellt hat. Danach wird das gewünschte Kopf- oder Sumpfprodukt entnommen. Weil sich die Zusammensetzung durch die Entnahme verändert, verschiebt sich das Gleichgewicht. Erfüllt das Produkt die Anforderungen nicht mehr, wird die Charge beendet und eine neue Charge gestartet.
Azeotrope Gemische können unter normalen Bedingungen wie bei der Destillation nur bis zum azeotropen Punkt getrennt werden. Bei einem Azeotrop sind Gas- und Flüssigphase gleich zusammengesetzt. Soll über diesen Punkt hinaus getrennt werden, muss der azeotrope Punkt durch eine Druckänderung oder einen Hilfsstoff verschoben werden und darf nicht im Konzentrations- und Temperaturbereich der Anlage liegen.
Spezielle Verfahren sind nötig bei Mehrstoffgemischen mit azeotropem Punkt oder niedriger relativer Flüchtigkeit. Das Zweidruckverfahren beziehungsweise die Druckwechseldestillation nutzt die Druckabhängigkeit eines Azeotrops, etwa für THF und Wasser oder Ethanol und Wasser. Bei der Extraktivrektifikation, dem Distex-Verfahren, verändert ein Hilfsstoff die Lage des Azeotrops; Anilin kann beispielsweise ein Gemisch aus Benzol und Cyclohexan trennen. Bei der Azeotroprektifikation bildet ein Hilfsstoff bei engsiedenden Gemischen ein neues Azeotrop mit einem Stoff und wirkt bei azeotropen Gemischen als Azeotropwandler.
Graphische Auswertung
Das McCabe-Thiele-Verfahren beruht auf dem Gleichgewichtsdiagramm der jeweiligen Stoffmischung. Da die Rektifikation in der Praxis im Allgemeinen bei konstantem Druck erfolgt, wird ein isobares Gleichgewichtsdiagramm verwendet. Es trägt die Stoffmengenanteile einer Komponente, meist des Leichtsieders, in der Flüssigphase gegen die entsprechenden Stoffmengenanteile derselben Komponente in der Gasphase auf.
Das Ponchon-Savarit-Verfahren unterscheidet sich davon, dass Energiebilanzen nicht vernachlässigt werden. Die graphische Auswertung erfolgt im Enthalpie-Zusammensetzungs-Diagramm H(x,y).
Anwendungen in Industrie und Labor
Die mehrstufige Destillation in Kolonnen ist in der chemischen Industrie ein häufig verwendetes und gut beherrschtes Verfahren zur thermischen Stofftrennung. Andere Verfahren werden eingesetzt, wenn die Stoffeigenschaften eine mehrstufige Destillation nicht zulassen.
Bei der Erdölraffination werden Kolonnen zur mehrstufigen Destillation genutzt. Erdöl wird dort zusätzlich mit Wasserdampf gestrippt und gleichzeitig chemisch verändert. In Luftzerlegern wird verflüssigte Luft nach dem Linde-Verfahren rektifiziert. Dabei gewinnt man Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Sehr große Anlagen liefern zusätzlich ein Helium/Neon-Gemisch, das anschließend in reines Neon und Helium getrennt wird. Luftbestandteile mit nur sehr geringen Anteilen werden im Allgemeinen nicht erzeugt, weil andere Gewinnungsverfahren günstiger sind. Besonders in kleineren Anlagen können alternativ Adsorptionsprozesse zur Luftzerlegung eingesetzt werden.
Im Labor dient Rektifikation bei Synthesen sowie bei der Isolierung und Reinigung von Naturstoffen dazu, Flüssigkeitsgemische mit kleinen Siedepunktdifferenzen zu trennen. Abhängig von der Größe der Siededifferenz werden unterschiedliche Trennkolonnen verwendet; eine häufig verwendete Kolonne ist die Vigreux-Kolonne.
