Destillation: Prinzipien, Anwendungen und Ablauf erklärt

Was ist Destillation?

Destillation (lat. destillare, „herabtröpfeln“) ist ein thermisches Trennverfahren, bei dem Stoffgemische, meist Flüssigkeiten, anhand ihrer unterschiedlichen Siedepunkte voneinander getrennt werden. Das Verfahren ist darauf ausgelegt, verdampfbare Flüssigkeiten zu gewinnen oder Lösungsmittel von schwer verdampfbaren Stoffen abzutrennen und anschließend durch Kondensation aufzufangen.

Bei der Destillation wird das Ausgangsgemisch zunächst zum Sieden gebracht. Die dabei entstehenden Dämpfe setzen sich aus den verschiedenen flüchtigen Komponenten der zu trennenden Lösung zusammen. Diese Dämpfe werden in einem Kondensator durch Abkühlung wieder verflüssigt. Als Kondensator dient eine Kühlvorrichtung, beispielsweise ein Liebig-Kühler im Labormaßstab. Das verflüssigte Kondensat wird schließlich aufgefangen und gesammelt.

Die Trennwirkung basiert auf der unterschiedlichen Zusammensetzung der siedenden Flüssigkeit und des gasförmigen Dampfes. Da die Siedepunkte der zu trennenden Stoffe relativ nah beieinanderliegen, verdampfen sie bei unterschiedlichen Temperaturen und kondensieren nacheinander, wodurch eine effektive Trennung der Komponenten möglich ist.

Ein großer Vorteil der Destillation im Vergleich zu anderen Trennverfahren ist, dass in der Regel keine zusätzlichen Stoffe wie Adsorbentien oder Lösungsmittel hinzugefügt werden müssen.

Wichtig: Die Stoffe, die Du destillieren möchtest, dürfen sich bei der hohen Siedetemperatur nicht zersetzen. Wenn die Siedetemperatur eines Stoffes kritisch hoch ist, muss die Destillation unter vermindertem Druck durchgeführt werden, um den Siedepunkt zu senken.

Die Destillation wird vielfältig eingesetzt. Typische Anwendungen sind:

• Das Brennen von Alkohol,
• Die Destillation von Erdöl in Raffinerien,
• Die Herstellung von destilliertem Wasser.

Geschichte und Entwicklung der Destillation

Die Destillation hat eine lange Geschichte, die bis in die Jungsteinzeit zurückreicht. Die erste Anwendung der Technik diente der Destillation von Pech und Teer zur Abdichtung von Schiffen, als Klebemittel und sogar als Heilmittel.

Mesopotamische Destillationsvorrichtungen (ca. 5500 Jahre alt): Die frühesten archäologischen Funde stammen aus Mesopotamien (heutiger Irak). Diese einfachen Apparaturen bestanden aus einem Gefäß mit einem Deckel. Beim Erhitzen kondensierte das Destillat am Deckel. Um zu verhindern, dass die kondensierte Flüssigkeit zurück in das Gefäß tropfte, wurden Schwämme oder Wollbüschel im Deckel platziert, die das Destillat aufsogen. Diese wurden dann regelmäßig ausgepresst, um das Destillat zu gewinnen.

Griechische Seefahrer und Aristoteles (500 v. Chr. – 4. Jahrhundert v. Chr.): Griechische Seefahrer nutzten um 500 v. Chr. ähnliche Methoden, um Trinkwasser aus Meerwasser zu gewinnen. Im 4. Jahrhundert v. Chr. beschrieb Aristoteles das Verfahren zur Meerwasser-Destillation und erklärte, dass auch Weine und andere Flüssigkeiten destilliert werden könnten.

Alexander von Aphrodisias (ca. 200 n. Chr.): Er lieferte eine detaillierte Erklärung zur Herstellung von destilliertem Wasser, wodurch das Wissen über die Technik weiter verfeinert wurde.

Arabische Wissenschaftler (800 n. Chr. – 10. Jahrhundert): Der Chemiker Abu Musa Dschābir ibn Hayyān (um 800 n. Chr.) verbesserte die Destillationstechniken. Der persische Arzt ar-Razi (865–925) beschrieb die Destillation von Rohöl im „Buch des Geheimnisses der Geheimnisse“. Er führte ein einfaches „Crack-Verfahren“ zur Gewinnung von Produkten wie Bitumen und Ziegelöl ein. Die Araber erfanden zudem den Alembik (Destillierhelm), der die Destillation von Alkohol ermöglichte. Weiterhin entwickelten sie schonende Erhitzungsmethoden im Wasserbad sowie die Wasserdampfdestillation, vor allem für ätherische Öle und Duftöle aus Kräutern.

Entdeckung von Schwefel- und Salpetersäure sowie Ethanol (um 1000 n. Chr.): Mit der Entdeckung dieser Substanzen gewann die Destillation erheblich an Bedeutung. Im 12. Jahrhundert verbesserten Wissenschaftler in Salerno die Kühlverfahren, um Flüssigkeiten nach ihren Siedepunkten zu trennen. Die Technik fand zunehmend Anwendung in der Medizin.

Frühe Neuzeit und Alchemie (14. – 16. Jahrhundert): Ab dem 14. Jahrhundert wurde die Destillation ein wichtiges Werkzeug in der Alchemie, insbesondere zur Herstellung der sogenannten „quinta essentia“. Die notwendigen Gerätschaften waren bereits im 15. Jahrhundert auch in bürgerlichen Haushalten verfügbar. Im Jahr 1500 veröffentlichte der Wundarzt Hieronymus Brunschwig sein „Kleines Destillierbuch“, das Wissen zur Destillation verbreitete. Der Einsatz der Destillation für die Herstellung von alkoholischen Kräuterextrakten und anderen medizinischen Anwendungen nahm weiter zu.

Verbesserte Apparaturen und Kühltechniken (Mittelalter – 17. Jahrhundert): Die Alchemisten des Mittelalters verbesserten die Kühlleistung durch die Entwicklung der „Serpente“, eines Geräts mit einem langen Dampfrohr. Die „Retorte“, bei der der Destillierhelm und der Kolben zu einem Stück verschmolzen waren, wurde ebenfalls entwickelt. Verbesserungen beinhalteten längere Kühlrohre, die durch Wasserfässer geleitet wurden, oder Wasserschüsseln um den Destillierhelm. Diese Apparatur wurde „Mohrenkopf“ genannt, da die Kühlschüssel wie ein Turban aussah.

Süßwasserdestillation aus Meerwasser (17. Jahrhundert): Die Technik der Süßwasserdestillation erlebte im 17. Jahrhundert einen erneuten Aufschwung. Damit konnten Schiffe und Seefahrer Trinkwasser aus Meerwasser gewinnen, was für lange Seereisen von entscheidender Bedeutung war.

Beschränkungen und Regulierungen: Die Destillation von Ethanol wurde in vielen Staaten kontrolliert und besteuert. In Deutschland geschah dies beispielsweise durch das Branntweinmonopolgesetz.

Bedeutung der Destillation: Wieso destilliert man?

Die Destillation ist ein essenzielles Trennverfahren, das sowohl in der Chemie als auch in der Industrie und Forschung eingesetzt wird. Aber warum destilliert man überhaupt?

Vorteile der Destillation

1. Keine zusätzlichen Chemikalien: Bei der Destillation benötigst Du keine weiteren Lösungsmittel oder Adsorptionsmittel (wie poröse Materialien, die Stoffe aufnehmen). Dadurch wird das zu trennende Gemisch nicht weiter verunreinigt und es entstehen keine zusätzlichen Kosten für zusätzliche Chemikalien.
2. Reine Trennung: Die Destillation ermöglicht eine saubere Trennung der Bestandteile eines Gemisches, basierend auf ihren physikalischen Eigenschaften wie den unterschiedlichen Siedepunkten. Es entstehen keine chemischen Reaktionen, was die Methode besonders zuverlässig macht.
3. Breites Anwendungsspektrum:
   • Trennung von flüssigen Gemischen: Die Destillation eignet sich hervorragend, um verschiedene Flüssigkeiten in einem Gemisch zu trennen.
   • Reinigung und Aufbereitung von Flüssigkeiten: Wenn Du eine Flüssigkeit reinigen oder aufbereiten möchtest, ist die Destillation eine der besten Methoden.
   • Analyse und Identifizierung: In der Forschung kann die Destillation genutzt werden, um die Bestandteile einer Flüssigkeit zu analysieren und zu identifizieren.

Bedeutung anhand eines Beispiels in der Chemie

Ein anschauliches Beispiel ist die Trennung von Erdöl. Erdöl besteht aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten. Bei der Destillation werden diese Komponenten getrennt und können anschließend identifiziert werden. Die Destillation ist somit oft der erste Schritt bei der Analyse komplexer Gemische.

Prinzipien der Destillation

Einfache Destillation

Die einfache Destillation ist ein thermisches Trennverfahren, das auf der Verdampfung und anschließenden Kondensation von Stoffen basiert. Ziel ist es, eine Substanz von einer anderen zu trennen, indem man ihre unterschiedlichen Siedepunkte ausnutzt. Diese Methode wird eingesetzt, um Gemische zu trennen oder zu reinigen, beispielsweise um gelöste Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit zu entfernen.

Bei der einfachen Destillation wird das zu trennende Gemisch in einem Destillierkolben erhitzt. Die Wärmequelle kann eine Heizhaube, ein Heizbad oder ein Brenner sein. Durch Erhitzen steigt die Temperatur des Gemischs, bis der Siedepunkt der Zielkomponente erreicht ist. Diese beginnt zu verdampfen und steigt als Gas auf. Über ein Thermometer, das sich am oberen Ende der Apparatur befindet, lässt sich die Temperatur des Dampfes ablesen. Diese sogenannte "Kopftemperatur" hilft dabei, die gewünschte Komponente zu identifizieren und sicherzustellen, dass sie verdampft.

Der gasförmige Stoff gelangt dann in den Kühler, meist ein Liebigkühler, der mit Wasser gekühlt wird. Hier kondensiert der Dampf wieder zu einer Flüssigkeit, da er abgekühlt wird. Das kondensierte Destillat wird anschließend in einem Auffangkolben gesammelt. Das Endprodukt ist eine Flüssigkeit, die einen höheren Anteil der leichter siedenden Komponente enthält, während der sogenannte Destillationssumpf, also die übriggebliebene Flüssigkeit, mit der Zeit an dieser Komponente verarmt.

Wichtig ist, dass die einfache Destillation keine perfekte Trennung ermöglicht. Die Trennung basiert auf den unterschiedlichen Siedepunkten der Komponenten des Gemischs, genauer gesagt auf ihren unterschiedlichen Dampfdrucken bei gleicher Temperatur. Die Zusammensetzung des Dampfes über der siedenden Flüssigkeit ist dabei immer etwas anders als die der Flüssigkeit selbst. Durch Kondensation erhält man eine Flüssigkeit, die einen erhöhten Anteil der niedrigsiedenden Komponente aufweist.

Ein klassisches Beispiel für die einfache Destillation ist die Abtrennung von gelösten Salzen oder anderen Feststoffen aus Wasser. Diese Stoffe können durch Filtration nicht entfernt werden, da sie in der Flüssigkeit gelöst sind. Die einfache Destillation hingegen ermöglicht es, die Flüssigkeit zu verdampfen, während die nicht-flüchtigen Verunreinigungen im Destillationssumpf zurückbleiben.

Mehrstufige Destillation und Rektifikation

Für eine präzisere Trennung wird die mehrstufige Destillation oder Rektifikation eingesetzt. Bei der einfachen Destillation werden leichtflüchtige Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt in der Dampfphase angereichert. Kondensiert man den Dampf erneut und destilliert diesen, nähert man sich der Reinsubstanz immer weiter an. Durch die Verwendung einer Kolonne zwischen der Destillationsblase (Sumpf) und dem Destillationskopf kann bereits durch eine einmalige Destillation eine deutlich verbesserte Trennleistung erreicht werden. Diese Trennleistung wird als „theoretische Bodenzahl“ bezeichnet, benannt nach dem Prinzip der Erdöldestillation in sogenannten Glockenboden-Kolonnen.

In einer Kolonne wird an der Oberfläche durch wiederholte Kondensation und Verdampfung ständig ein Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase hergestellt. Auf diese Weise steigt der Anteil des niedrigsiedenden Bestandteils nach oben, während die höhersiedende Komponente in den Sumpf zurückfließt. Durch den Einbau spezieller Elemente wie einer Vigreux-Kolonne, Raschig-Ringen oder anderen strukturierten Packungen wird die Oberfläche innerhalb der Kolonne vergrößert, was die Effizienz der Trennung weiter erhöht.

Falls die zu trennenden Stoffe ein Azeotrop bilden, treffen sich die Siede- und Taupunktkurven nicht erst bei den Reinsubstanzen, wodurch die Trennung durch Destillation nur bis zu einem bestimmten Punkt möglich ist. Das bekannteste Beispiel ist das Azeotrop von Ethanol und Wasser im Verhältnis von etwa 25:1, was zu der handelsüblichen „96-prozentigen Alkohol“-Mischung führt. Eine weitere Trennung ist jedoch möglich, da das azeotrope Mischungsverhältnis druckabhängig ist. Durch Vakuum- oder Überdruckdestillation kann das Azeotrop verschoben und eine weitergehende Trennung erreicht werden. Außerdem kann durch Azeotroprektifikation eine höhere Aufkonzentration des Ethanols erfolgen.

Die großtechnische Umsetzung der mehrstufigen, kontinuierlichen Destillation wird als Rektifikation bezeichnet. Bei der Rektifikation erfolgt die Trennung in einer sogenannten Rektifikationskolonne. Diese besteht aus mehreren Ebenen oder Böden, durch die der Dampf aufsteigt und das Kondensat abwärts fließt. In der Kolonne wird das Prinzip der mehrstufigen Destillation auf einen kontinuierlichen Prozess übertragen, bei dem Produkte kontinuierlich abgezogen und Edukte nachgefüllt werden können.

Fraktionierte Destillation

Bei der fraktionierten Destillation trennst Du ein Gemisch aus mehreren Komponenten durch Destillation in einzelne Fraktionen. Voraussetzung dafür ist, dass die Komponenten unterschiedliche Siedetemperaturen haben. Der Prozess läuft in mehreren Schritten ab, bei denen die Temperatur schrittweise erhöht wird, um die verschiedenen Komponenten zu trennen. Das Verfahren wird häufig eingesetzt, wenn die Siedepunkte der Komponenten nahe beieinanderliegen.

Du beginnst damit, das Gemisch zu erhitzen. Zuerst verdampft die Komponente mit dem niedrigsten Siedepunkt. Dieser Zeitpunkt wird durch eine Temperaturänderung im Destillationskopf angezeigt. Der Dampf wird dann kondensiert und in einem Behälter, dem sogenannten Auffangbehälter, gesammelt. Sobald sich die Temperatur weiter erhöht und die nächste Komponente zu verdampfen beginnt, wechselst Du den Auffangbehälter. Auf diese Weise trennst Du die verschiedenen Fraktionen.

Oft bildet sich beim Übergang zwischen zwei Komponenten eine Zwischenfraktion, da sich die Stoffe in diesem Bereich noch vermischen. Um diese Zwischenfraktion so gering wie möglich zu halten, kannst Du eine Kolonne zwischenschalten. Die Kolonne sorgt dafür, dass die Stoffe besser voneinander getrennt werden, indem der Dampf mehrmals kondensiert und wieder verdampft, bevor er den Destillationskopf erreicht.

Für eine einfache, fraktionierte Destillation im Labor nutzt Du eine Schliffapparatur mit einer sogenannten „Spinne“ als Vorlage. An diese Spinne lassen sich mehrere Kolben anbringen. Während des Prozesses wird die Temperatur schrittweise erhöht und die Spinne jeweils zum nächsten leeren Kolben gedreht, um die entsprechenden Fraktionen aufzufangen.

Beispiel: Bei einem Gemisch aus Methanol, Ethanol und Wasser siedet zuerst Methanol bei 65 °C. Du drehst die Spinne zum ersten Kolben. Danach erhöhst Du die Temperatur auf 78 °C, um Ethanol zu destillieren, und wechselst zum nächsten Kolben. Schließlich erhöhst Du die Temperatur auf 100 °C, um die letzte Fraktion, das Wasser, zu sammeln.

Bei komplexen Gemischen wie Erdöl, das aus vielen Stoffen mit verschiedenen Siedepunkten besteht, wird die fraktionierte Destillation in großen Kolonnen durchgeführt. Die Kolonne ist mit sogenannten „Glockenböden“ ausgestattet. Der aufsteigende Dampf durchperlt diese Böden, die auf bestimmten Temperaturen gehalten werden. Stoffe mit höheren Siedepunkten kondensieren dabei auf dem jeweiligen Glockenboden und können über seitlich angebrachte Hähne entnommen werden. Über Thermometer lässt sich die Temperatur der einzelnen Fraktionen überwachen. Vollgefüllte Glockenböden fließen über einen Überlauf zurück in den Kolben.

Fraktionierte Destillation wird nicht nur im Labor, sondern vor allem in der Industrie eingesetzt. Ein typisches Beispiel ist die Erdölindustrie, wo Rohöl in verschiedene Bestandteile wie Benzin, Kerosin und Diesel zerlegt wird.

Vakuumdestillation

Die Vakuumdestillation ist eine Destillationstechnik, bei der der Druck in der Destillationsanlage reduziert wird. Durch die Verringerung des Gesamtdrucks wird die Siedetemperatur der Komponenten im Stoffgemisch gesenkt. Das ist besonders wichtig, wenn das Gemisch Stoffe enthält, die bei hohen Temperaturen instabil sind oder sich zersetzen könnten. Die Vakuumdestillation ermöglicht es daher, temperaturempfindliche Substanzen zu trennen, ohne ihre thermische Zersetzung zu riskieren.

In der Laborpraxis wird häufig die Vakuumdestillation eingesetzt, da bei höheren Temperaturen unerwünschte Nebenreaktionen im Sumpf auftreten können. Der Sumpf enthält oft Reste des Edukts, Katalysatorrückstände oder Nebenprodukte. Diese könnten bei hohen Temperaturen die Ausbeute vermindern, indem sie unerwünschte Reaktionen eingehen. Ein geringerer Druck sorgt dafür, dass das aufzutrennende Gemisch schneller siedet und damit schonender behandelt wird.

Die Vakuumdestillation ist auch in der Großindustrie von Bedeutung. Bei der Erdölraffination wird das sogenannte „Sumpfprodukt“ der atmosphärischen Destillation einer nachfolgenden Vakuumdestillation unterworfen. Dadurch werden hauptsächlich Grundöle für die Schmierölproduktion sowie Vakuumgasöl hergestellt. Vakuumgasöl dient als wertvolles Edukt für nachgelagerte Prozesse wie den Cat Cracker oder Hydrocracker. Außerdem werden in dieser industriellen Anwendung niedrigsiedende Rückstände entfernt und teilweise in die atmosphärische Destillation zurückgeführt.

Beim technischen Aufbau der Vakuumdestillation wird die Apparatur mithilfe einer Pumpe evakuiert. Die Apparatur muss auf den Unterdruck ausgelegt sein, da sonst die Gefahr einer Implosion besteht. Daher wird empfohlen, kleine und speziell für den Unterdruck geeignete Rundkolben zu verwenden. Schutzbrillen sind ebenfalls unerlässlich. Diese Destillationsmethode eignet sich besonders für Stoffe mit hohem Siedepunkt oder für solche, die sich bei höheren Temperaturen leicht zersetzen. Die Druckabsenkung verringert die Siedepunkte der Stoffe, was eine schonende Trennung ermöglicht.

Kältedestillation

Bei der Kältedestillation wird die Destilliervorlage stark abgekühlt, meist mithilfe von flüssigem Stickstoff (-196 °C). Diese Methode dient hauptsächlich dazu, Lösungsmittel aus einem Gemisch zu entfernen. Zunächst wird das Gemisch erhitzt oder die Apparatur unter Vakuum gesetzt, damit das Lösungsmittel verdampft. Durch die intensive Kühlung in der Vorlage erstarrt das Lösungsmittel dort, während das gewünschte Produkt im Reaktionskolben verbleibt.

Überdruckdestillation

Die Überdruckdestillation wird eingesetzt, um die Siedepunktdifferenzen der zu trennenden Komponenten zu vergrößern. Dabei arbeitet die Destillationsanlage unter erhöhtem Druck. Der erhöhte Druck verschiebt die Siedepunkte der Stoffe, wodurch eine bessere Trennung möglich wird, besonders bei Substanzen mit sehr niedrigen und dicht beieinanderliegenden Siedepunkten. Typische Anwendungsfälle sind die Luftverflüssigung oder die Verarbeitung von Pflanzenmaterial, das schwer zu destillierende Öle enthält. Bei der Verwendung von überhitztem Wasserdampf unter Überdruck kann das Verhältnis von Öl und Wasser im Destillat verbessert werden.

Kugelrohrdestillation

Die Kugelrohrdestillation ist ein Verfahren, das vor allem im Labor für die Destillation kleiner Substanzmengen verwendet wird. Die Methode basiert auf einem kugelförmigen Behälter, in dem die Flüssigkeit erhitzt wird. Durch die kurze Distanz zwischen Vorlage und Kondensator wird eine schonende Destillation erreicht. Sie ist besonders geeignet für empfindliche oder schwer verdampfbare Stoffe.

Schleppdestillation

Bei der Schleppdestillation wird ein zusätzlicher Stoff zugegeben, der den abzudestillierenden Stoff „mitschleppt“. Die Wasserdampfdestillation ist die bekannteste Form dieser Technik. Sie wird vor allem dann angewendet, wenn eine Vakuumdestillation nicht praktikabel ist.

Wasserdampfdestillation

Bei der Wasserdampfdestillation werden durch das Einleiten von Wasserdampf Flüssigkeiten oder Feststoffe mitgerissen, die eine höhere Siedetemperatur als Wasser haben oder in Wasser unlöslich sind. Der Dampf wird anschließend kondensiert und das Destillat gewonnen. Diese Methode wird beispielsweise zur Gewinnung ätherischer Öle aus Pflanzen verwendet.

Azeotrope Destillation

Die azeotrope Destillation ist ein Verfahren, um Komponenten eines azeotropen Gemisches zu trennen. Ein Azeotrop ist ein Stoffgemisch mit einem konstanten Siedepunkt, der durch normale Destillation nicht getrennt werden kann. Bei der azeotropen Destillation wird ein weiteres Lösungsmittel (Eingriffsmittel) zugegeben, das ein neues Azeotrop mit den ursprünglichen Komponenten bildet. Dieses Azeotrop lässt sich dann durch Destillation trennen.

Beispiel: Bei einer sauer katalysierten Veresterung kann das entstehende Wasser durch Zugabe von Toluol, Hexan oder Chloroform fast vollständig entfernt werden. Diese Substanzen bilden Heteroazeotrope mit dem Wasser, die in zwei Phasen kondensieren und sich mit einem Wasserabscheider einfach zurückführen lassen.

Extraktivdestillation

Die Extraktivdestillation fügt einen hochsiedenden, nicht-flüchtigen Stoff hinzu, der sich mit den zu trennenden Komponenten nicht als Azeotrop verbindet. Ein typisches Beispiel ist die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten, um das Phasengleichgewicht zu verändern und die Trennung von eng siedenden Flüssigkeiten oder azeotropen Gemischen zu ermöglichen. Durch die Veränderung der thermodynamischen Eigenschaften des Gemisches wird eine Destillation unter vertretbarem Aufwand machbar.

Kurzwegdestillation

Die Kurzwegdestillation (KWD) ist ein besonders schonendes thermisches Trennverfahren, das im Feinvakuumbereich (1 bis 0,001 mbar) durchgeführt wird. Die Gasphase legt nur einen kurzen Weg zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator zurück. Aufgrund des niedrigen Drucks kann die Destillation bereits bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen, wodurch thermisch empfindliche Produkte geschont werden. Die Methode eignet sich für schwer verdampfbare Moleküle wie langkettige Kohlenwasserstoffe und findet Anwendung in der Trennung von Substanzen wie Tocopherolen, Fettsäureestern und Pharmawirkstoffen.

Reaktivdestillation

Die Reaktivdestillation kombiniert die Destillation mit einer chemischen Reaktion. Diese Kombination ermöglicht, das chemische Gleichgewicht kontinuierlich zu beeinflussen und somit vollständige Reaktionen zu erreichen. Durch das gleichzeitige Entfernen eines Reaktionspartners verschiebt sich das Gleichgewicht, was zu einem größeren Umsatz führt. Außerdem können durch die chemische Reaktion auftretende Azeotrope gebrochen werden. Die Reaktivdestillation eignet sich besonders für gleichgewichtslimitierte Reaktionen und wird gelegentlich in der chemischen Industrie, etwa bei der Kaliumproduktion, eingesetzt.

Die chemische Reaktion kann homogen oder heterogen katalysiert werden. Bei homogenen Katalysatoren ist eine zusätzliche Trennstufe zur Abtrennung des Katalysators erforderlich. Bei heterogener Katalyse wird der Katalysator oft in Form reaktiver Packungen in der Destillationskolonne eingesetzt.

Zonendestillation

Die Zonendestillation findet in einem länglichen Container statt und beinhaltet eine partielle Schmelze des zu trennenden Stoffes in einer beweglichen Flüssigkeitszone. Der Dampf kondensiert in die feste Phase, wobei die Beimischungen sich im Verlauf des Prozesses ungleichmäßig verteilen. Durch das Verschieben des Zonenerhitzers entlang des Containers bildet sich ein Kondensat mit einer gleichmäßigen Verteilung der Verunreinigungen, wobei der reinste Teil als Produkt isoliert wird. Dieser Prozess kann mehrfach wiederholt werden, um eine höhere Reinheit zu erreichen. Die Zonendestillation ist das destillative Pendant zur Zonenumkristallisation.

Trockene Destillation

Die trockene Destillation, auch Zerlegungsdestillation genannt, zersetzt eine Substanz durch Erhitzen auf hohe Temperaturen ohne Zugabe eines Lösungsmittels oder Wassers. Diese Methode wird in der chemischen Industrie sowie in der Verarbeitung von natürlichen Ressourcen angewendet, beispielsweise bei der Holzvergasung. Bei der Holzvergasung wird Holz in Abwesenheit von Sauerstoff erhitzt und zerlegt sich in gasförmige, flüssige und feste Bestandteile. Die gasförmige Phase kann als Brennstoff genutzt werden, während die feste Phase, oft als Holzkohle bezeichnet, weiterverarbeitet werden kann.

Unbeabsichtigte Destillationsvorgänge

In technischen Anlagen, etwa Absauganlagen für Dämpfe, können unbeabsichtigt Destillationsprozesse stattfinden. Abgesaugte Dämpfe kondensieren in Absaugrohren und führen langfristig zu Verstopfungen oder Ablagerungen. Beispiele sind:

• Fettablagerungen in Dunstabzugshauben.
• Wasserkondensat in Druckluftschläuchen, das bei niedrigen Temperaturen gefrieren kann.
• Versottung in Kaminen.

Anwendungen der Destillation

Destillation von Alkohol

Das wohl bekannteste Beispiel ist die Abtrennung von Ethanol durch Destillation. In der Regel enthält das Gemisch Ethanol, Wasser und geringe Mengen Methanol. Die Siedetemperaturen betragen: Methanol 65 °C, Ethanol 78 °C und Wasser 100 °C. Methanol verdampft zuerst, wodurch der sogenannte Vorlauf entsteht. Dieser Vorlauf muss verworfen werden, da Methanol hochgiftig ist. Danach destilliert Ethanol. Allerdings verdampft auch ein Teil des Wassers, da bei 78 °C noch kein vollständiger Temperaturunterschied besteht, wodurch die Trennung nicht vollständig ist.

Destillation von Rohöl

Rohöl wird in Ölraffinerien destillativ aufgespalten, um Produkte wie Benzin, Diesel, Kerosin oder Heizöl zu gewinnen. Da Rohöl Kohlenwasserstoffe mit verschiedenen Siedepunkten enthält, sind zwei Destillationsverfahren erforderlich: die atmosphärische Destillation und eine anschließende Vakuumdestillation. Die Vakuumdestillation ermöglicht die Abtrennung schwerer Kohlenwasserstoffe bei geringfügig höheren Temperaturen, ohne dass unerwünschte Nebenprodukte durch das Cracken entstehen.

Destillation von Ätherischen Ölen

Bei der Destillation ätherischer Öle wird Dampf über Pflanzenmaterial geleitet. Der Dampf löst die Öle aus den Pflanzen. Anschließend kondensierst Du den Dampf und das Öl-Wasser-Gemisch. Über einen Scheidetrichter trennst Du das Öl vom Wasser. Diese Methode wird häufig für die Gewinnung von Duft- und Aromastoffen eingesetzt.

Lösemittelrückgewinnung

Hier destillierst Du gebrauchte Lösemittel, um sie zu reinigen und wiederzuverwenden. Das Lösemittel wird erhitzt, um die Verunreinigungen abzutrennen. Der gereinigte Lösemitteldampf wird kondensiert und in einem Auffangbehälter gesammelt. So kannst Du Ressourcen schonen und Kosten senken.

Wasseraufbereitung

Die Wasser-Destillation erhitzt Wasser, bis es verdampft. Der Dampf kondensiert anschließend in einer Kühlvorrichtung zu reinem Wasser. Durch dieses Verfahren entfernst Du Salze, Mineralien und Verunreinigungen aus dem Wasser. Besonders geeignet ist es für die Herstellung von Reinstwasser für medizinische oder industrielle Anwendungen.

Destillation in verschiedenen Industrien

Je nach Branche, ob chemische, pharmazeutische, petrochemische, Getränke- oder Wasserwirtschaft, kommt Destillation in unterschiedlichen Formen zum Einsatz. Die folgenden Abschnitte geben einen Überblick darüber, wie die Destillation in verschiedenen Industrien angewendet wird.

Destillation in der Chemischen Industrie

In der chemischen Industrie ist die Destillation eines der wichtigsten Verfahren, um Stoffe wie Lösungsmittel, Bioöle, Fette und Kunststoffe in ihre Bestandteile zu zerlegen. Dabei ist der Anlagenbau entscheidend für den Aufbau effizienter Destillationssysteme. Die Vakuumdestillation spielt eine besonders große Rolle, da sie eine schonende Behandlung wärmeempfindlicher Verbindungen ermöglicht. Durch die niedrigeren Prozesstemperaturen werden unerwünschte Zersetzungsprozesse wie Polymerisation oder Cracking verhindert. Dadurch lassen sich höhere Ausbeuten erzielen, und es sind erhebliche Energieeinsparungen möglich. Die Vakuumdestillation wird für die Reinigung von Monomeren, die Extraktion natürlicher Verbindungen sowie für chemische Synthesen und die Herstellung von Geschmacks- und Aromastoffen genutzt.

Destillation in der Pharmazeutischen Industrie

Auch in der pharmazeutischen Industrie ist die Vakuumdestillation von zentraler Bedeutung, insbesondere bei der Herstellung und Reinigung aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe (API). Durch das Verfahren unter Vakuum können wärmeempfindliche Substanzen schonend behandelt und eine hohe Reinheit erreicht werden. Zusätzlich werden die Nebenprodukte auf ein Minimum reduziert, was bei der Synthese von Medikamenten entscheidend ist. Die Vakuumdestillation ermöglicht zudem die Extraktion und Reinigung natürlicher pharmazeutischer Inhaltsstoffe, was sie zu einem unverzichtbaren Prozess in der Arzneimittelherstellung macht.

Destillation in der Petrochemischen Industrie

In der petrochemischen Industrie ist die Destillation, insbesondere in Ölraffinerien, entscheidend für die Herstellung von Produkten wie Benzin, Diesel, Kerosin und Schmierölen. Nach der atmosphärischen Destillation wird eine zweite Destillation unter Vakuum durchgeführt. Diese ermöglicht die Trennung schwererer Kohlenwasserstoffe bei nur leicht erhöhten Temperaturen. Das Verfahren minimiert das Cracken der Bestandteile und die Entstehung unerwünschter Nebenprodukte, was zu höherer Produktreinheit und Effizienz führt.

Destillation in der Getränke- und Genussmittelindustrie

In der Getränke- und Genussmittelindustrie wird die Destillation vor allem zur Herstellung von Spirituosen eingesetzt. Hierbei ermöglicht die Destillation die Kontrolle des Alkoholgehalts und des Aromas. Obwohl die Vakuumdestillation in dieser Branche weniger verbreitet ist, kann sie zur Entfernung unerwünschter Stoffe aus Fruchtsäften eingesetzt werden, um die Qualität des Endprodukts zu verbessern.

Destillation in der Wasser- und Abwasserwirtschaft

In der Wasser- und Abwasserwirtschaft ist die Destillation ein Schlüsselelement bei der Aufbereitung von Trinkwasser. Hierbei werden Schadstoffe und Mikroorganismen durch Verdampfung und Kondensation entfernt. Die Vakuumdestillation kann speziell in der industriellen Abwasserbehandlung zur Entfernung chemischer Verunreinigungen eingesetzt werden, wodurch eine schonende und energieeffiziente Wasserreinigung ermöglicht wird.

Ablauf einer Destillation

Vorbereitung der Destillation

Im Rahmen des Pre-Engineerings wird die passende Destillationsmethode und das erforderliche Equipment sorgfältig ausgewählt.

1. Zielbestimmung: Überlege Dir, was Du mit der Destillation erreichen möchtest. Geht es darum, eine bestimmte Substanz zu isolieren, oder möchtest Du die einzelnen Komponenten einer Mischung trennen?
2. Substanzeigenschaften ermitteln: Informiere Dich über die physikalischen Eigenschaften der zu destillierenden Substanzen. Die Kenntnis der Siedepunkte ist entscheidend, um die richtige Temperatur für die Destillation zu wählen. Beispielsweise hat Ethanol einen niedrigeren Siedepunkt (78,37 °C) als Wasser (100 °C).
3. Ausrüstung vorbereiten: Stelle sicher, dass Du alle notwendigen Geräte zur Hand hast. Die Planung und Konzeption der Destillationsapparate, wie Kolonnen, Kühler und Auffanggefäße geschieht in der Regel während des Basic Engineerings. Die grundlegende Ausrüstung umfasst:
   • Destillationskolben: Zum Erhitzen der Mischung.
   • Thermometer: Zur Überwachung der Temperatur.
   • Kondensator: Zum Abkühlen des entstehenden Dampfes.
   • Auffanggefäß: Zum Sammeln des Destillats.
4. Sichere Arbeitsumgebung: Da Du mit Hitze und möglicherweise gefährlichen Chemikalien arbeitest, ist eine sichere Umgebung unerlässlich. Trage immer geeignete Schutzkleidung (Laborkittel, Handschuhe, Schutzbrille) und stelle sicher, dass die Destillationsapparatur stabil auf einer hitzebeständigen Unterlage steht. Arbeite in einem gut belüfteten Bereich oder unter einem Abzug.

Eine fundierte Beratung durch Experten kann den Erfolg einer Destillation maßgeblich beeinflussen, insbesondere bei komplexen Gemischen.

Durchführung der Destillation

1. Befüllen des Destillationskolbens: Gib Deine Mischung in den Destillationskolben. Achte darauf, dass der Kolben nicht mehr als zu zwei Dritteln gefüllt ist, um Platz für die Dampfentwicklung zu lassen.
2. Erhitzen: Erhitze die Mischung im Destillationskolben gleichmäßig und langsam. Verwende ein Thermometer, um die Temperatur zu überwachen und stelle sicher, dass sie nicht zu schnell ansteigt. Dies ist wichtig, damit der Dampf kontrolliert entsteht und die gewünschte Substanz zuerst verdampft.
3. Dampf kondensieren: Sobald die Substanz mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft, wird der Dampf durch den Kondensator geleitet. Der Kondensator kühlt den Dampf ab und wandelt ihn wieder in eine Flüssigkeit um.
4. Destillat sammeln: Leite das kondensierte Destillat in das Auffanggefäß. Stelle sicher, dass alle Verbindungen in der Apparatur dicht sind, um den Verlust von Dampf zu verhindern.
5. Temperaturüberwachung: Während des gesamten Prozesses musst Du die Temperatur sorgfältig überwachen und gegebenenfalls anpassen. Die Temperaturänderungen können darauf hinweisen, dass sich die Zusammensetzung der Mischung im Kolben verändert.

Hinweise und Besonderheiten

• Achte darauf, dass die Destillation ein dynamischer Prozess ist. Die Zusammensetzung Deiner Mischung kann sich während der Destillation ändern, was Du durch Farbänderungen oder Sedimentbildung im Kolben erkennen kannst.
• Die Substanz mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft zuerst und wird dann als reines Destillat gesammelt. Wenn mehrere Substanzen vorhanden sind, können durch erneute Destillation (Rektifikation) weitere Trennungen vorgenommen werden.
• Ein effektives Projektmanagement ist essenziell, um Destillationsprozesse von der Planung über die Installation bis zur Inbetriebnahme erfolgreich zu gestalten.

Rückstand bei der Destillation

Was sind Rückstände von der Destillation?

Rückstände bei der Destillation sind die Substanzen, die nach dem Destillationsprozess in der Destillationsapparatur zurückbleiben. Sie bestehen häufig aus:

• Unveränderten Ausgangsmaterialien: Materialien, die aufgrund ihrer hohen Siedepunkte oder fehlenden Flüchtigkeit bei der angewendeten Temperatur nicht verdampft sind.
• Schwer zu destillierenden Bestandteilen: Substanzen, deren Siedepunkte zu hoch sind, um während der Destillation in den gasförmigen Zustand überzugehen.
• Unerwünschten Nebenprodukten: Stoffe, die während des Prozesses entstehen, aber nicht im Endprodukt benötigt werden.

Es gibt verschiedene Arten von Destillationsrückständen:

1. Trockener Rückstand: Bleibt übrig, wenn alle flüchtigen Bestandteile entfernt wurden. Dieser Rückstand ist meist ein Feststoff oder eine dickflüssige Substanz.
2. Öliger Rückstand: Ein öliger oder teerartiger Rückstand, der oft bei der Destillation organischer Stoffe entsteht.
3. Unveränderte Ausgangsmaterialien: Materialien, die noch nicht zum Siedepunkt gebracht wurden, weil die Destillation vorzeitig beendet wurde.

Was ist die Bedeutung von Destillationsrückständen?

Destillationsrückstände sind nicht einfach nur "Abfall". Sie können wichtige Informationen liefern und in einigen Fällen wertvolle Substanzen enthalten:

• Prozessbewertung: Die Analyse von Rückständen ermöglicht die Beurteilung der Effizienz des Destillationsprozesses und kann Probleme wie unzureichende Trennung oder falsche Temperatureinstellungen aufdecken.
• Weiterverarbeitung: In bestimmten Fällen können Rückstände zusätzliche Behandlungen durchlaufen, um weitere wertvolle Produkte zu gewinnen. Zum Beispiel werden Rückstände aus der Rohöldestillation oft weiter fraktioniert oder gecrackt.
• Indikator für Rohstoffqualität: Bei der fraktionierten Destillation von Erdöl können die Menge und die Art des Rückstands Hinweise auf die Qualität des Rohöls geben.

Was macht man mit Rückständen von der Destillation?

Der Umgang mit den Rückständen hängt von deren Art und Zusammensetzung sowie vom Ziel der Destillation ab. Häufige Methoden sind:

• Entsorgung: Wenn der Rückstand giftige oder gefährliche Substanzen enthält, muss er unter Berücksichtigung des Umweltschutzes sicher entsorgt werden.
• Recycling: Einige Rückstände können recycelt oder in anderen Prozessen wiederverwendet werden, um Abfall zu reduzieren und die Effizienz zu steigern.
• Weitere Verarbeitung: Manche Rückstände werden weiterverarbeitet, um zusätzliche Produkte zu gewinnen. Zum Beispiel kann der Rückstand aus der Rohöldestillation weiter fraktioniert werden.

Beispiele für Rückstände

• Alkoholherstellung: Der Rückstand, oft als "Stillsage" bezeichnet, enthält nicht-fermentierbare Materialien und kann als Tierfutter oder zur Energiegewinnung verwendet werden.
• Weindestillation: Der Rückstand kann weiter destilliert werden, um einen alkoholischen Geist zu gewinnen, oder in der Landwirtschaft zur Bodenverbesserung genutzt werden.

FAQ - Häufige Fragen über die Destillation

Wie funktioniert eine Destillation?

Bei der Destillation wird ein Gemisch aus Flüssigkeiten durch Erhitzen getrennt. Dabei verdampfen die Bestandteile je nach Siedepunkt nacheinander. Der Dampf wird dann in einer Kühlvorrichtung wieder kondensiert und als Destillat aufgefangen. Entscheidend ist, dass die Bestandteile unterschiedliche Siedepunkte haben.

Was ist ein Destillat?

Das Destillat ist das Produkt, das bei der Destillation gewonnen wird. Es entsteht, wenn die verdampfte Substanz kondensiert und in einem Auffangbehälter gesammelt wird. Das Destillat ist in der Regel reiner als das ursprüngliche Gemisch, da unerwünschte Bestandteile zurückbleiben.

Was ist die Vorlage beim Destillieren?

Die Vorlage ist der Behälter, in dem das Destillat nach der Kondensation gesammelt wird. Sie muss chemisch resistent sein und genügend Fassungsvermögen für das kondensierte Produkt bieten. Bei der Destillation von Alkohol wird die Vorlage auch als „Auffangkolben“ bezeichnet.

Was ist eine Destillationsapparatur?

Eine Destillationsapparatur ist das technische Gerät, das zur Durchführung der Destillation verwendet wird. Sie besteht in der Regel aus folgenden Teilen:

1. Heizquelle
2. Destillierkolben (zum Erhitzen der Flüssigkeit)
3. Thermometer (zur Temperaturüberwachung)
4. Kühlrohr oder Liebigkühler (zum Kondensieren des Dampfes)
5. Vorlage (zum Auffangen des Destillats)

Welche Gemische lassen sich durch Destillation trennen?

Mit der Destillation lassen sich flüssige Gemische trennen, deren Bestandteile unterschiedliche Siedepunkte haben. Beispiele sind:

• Alkohol-Wasser-Gemische
• Erdöl (in verschiedene Fraktionen wie Benzin, Diesel, etc.)
• ätherische Öle aus Pflanzen Gemische, bei denen die Siedepunkte der Komponenten zu nahe beieinanderliegen, sind schwerer zu trennen.

Was sind die Unterschiede zwischen der einfachen und fraktionierten Destillation?

• Einfache Destillation: Für Gemische mit großem Unterschied der Siedepunkte. Die Flüssigkeit wird erhitzt und verdampft. Der Dampf kondensiert und wird als Destillat gesammelt. Geeignet für die Trennung von Wasser und Alkohol.
• Fraktionierte Destillation: Für Gemische mit nah beieinanderliegenden Siedepunkten. Eine Räucherkolonne mit Füllkörpern erhöht die Trennschärfe. Der Dampf kondensiert mehrfach in der Kolonne und reichert sich mit der Substanz mit niedrigerem Siedepunkt an.

Was sind die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der fraktionierten, azeotropen und trockenen Destillation?

• Fraktionierte Destillation: Trennt Gemische mit nahen Siedepunkten. Setzt eine Kolonne ein, um die Trennung zu verbessern.
• Azeotrope Destillation: Trennt Gemische, die ein Azeotrop bilden, also eine Mischung, die sich nicht durch einfache Destillation trennen lässt. Zusatzstoffe oder spezielle Techniken wie die Druckänderung werden verwendet.
• Trockene Destillation: Keine Flüssigkeiten. Stoffe wie Holz oder Kohle werden erhitzt und zersetzen sich chemisch. Es entstehen gasförmige und feste Produkte.

Gemeinsamkeiten: Alle Verfahren nutzen Wärme, um die Bestandteile des Ausgangsstoffs zu trennen.

Unterschiede: Anwendungsbereich, eingesetzte Technik und Trennprinzip.

Welche Vorteile hat die Vakuumdestillation gegenüber der atmosphärischen Destillation?

Die Vakuumdestillation senkt den Umgebungsdruck, wodurch die Siedepunkte der Substanzen sinken. Vorteile sind:

• Schonendere Destillation hitzeempfindlicher Substanzen.
• Geringerer Energieaufwand.
• Vermeidung thermischer Zersetzung.

Warum wird Vakuum bei der Vakuumdestillation eingesetzt?

Durch das Vakuum wird der Druck gesenkt, was die Siedepunkte der Stoffe reduziert. So kann die Destillation bei niedrigeren Temperaturen stattfinden. Dies ist besonders wichtig bei hitzeempfindlichen Substanzen, die sonst zerfallen würden.

Welche Vakuumpumpen werden zum Destillieren verwendet?

Zum Destillieren kommen hauptsächlich folgende Vakuumpumpen zum Einsatz:

1. Membranpumpen: Für niedriges Vakuum, ideal für empfindliche Substanzen.
2. Drehschieberpumpen: Erzeugen mittleren bis hohen Unterdruck, robust und zuverlässig.
3. Turbomolekularpumpen: Für sehr hohe Vakuumgrade, oft in der chemischen Industrie eingesetzt.

Bonusartikel: Welche Pumpenarten gibt es? Funktionsweisen & Anwendungen

Was sollte beim Kauf eines Destillationssystems beachtet werden?

Beim Kauf eines Destillationssystems solltest Du auf Folgendes achten:

1. Anwendungsbereich: Welches Gemisch soll getrennt werden?
2. Siedepunktunterschiede: Reicht eine einfache oder wird eine fraktionierte Destillation benötigt?
3. Materialqualität: Chemisch resistente Materialien, wie Borosilikatglas.
4. Vakuumpumpe: Bei Bedarf an Vakuumdestillation eine geeignete Pumpe auswählen.
5. Skalierbarkeit: Ist die Apparatur für spätere Anforderungen erweiterbar?‍
6. Sicherheit: Temperatur- und Drucküberwachungssysteme.