Frakční destilace

Frakční destilace (též rektifikace) je proces, oddělování složek směsi (frakce). Jde o oddělování chemických látek podle bodu varu zahříváním na teploty, při kterých se jednotlivé frakce vypařují. Je zvláštním typem destilace. Obecně jde o oddělování částí, jejichž teplota varu se liší od teploty varu ostatních složek o méně než 25 °C (při atmosférickém tlaku). Liší-li se tyto teploty o více než 25 °C, používá se prostá destilace.

Frakční destilace v laboratoři

Při frakční destilaci v laboratoři se používá běžné laboratorní sklo a také jednoúčelové komponenty, například rektifikační kolona.

Laboratorní souprava

Přístroj pro frakční destilaci s Liebigovým kondenzátorem. Pro zachycování destilátu se používá kónická (Erlenmeyerova) baňka. V této sestavě jsou destilační hlava a rektifikační kolona zkombinovány do jednoho kusu.

• zdroj tepla, například topná plotýnka s lázní, ideálně s magnetickým míchačem
• destilační baňka, typicky kulová
• baňka na destilát, často též kulová
• rektifikační kolona (též frakcionační kolona)
• destilační hlava
• teploměr a případně adaptér
• kondenzátor
  • Liebigův kondenzátor
  • Grahamův kondenzátor
  • Allihnův kondenzátor
• podtlakový adaptér (na obrázku vpravo není použit)
• varný kamínek
• běžné laboratorní sklo se zabroušenými spoji

Diskuse

Jako příklad lze uvést frakční destilaci směsi vody a ethanolu. Ethanol se vaří při 78,4 °C, voda při 100 °C. Mírným zahříváním těkavější složka více opouští kapalinu a koncentruje se v parách. Některé směsi tvoří azeotropy, kdy směs vře při nižší teplotě než její složky. V daném příkladu se směs složená z 96 % ethanolu a 4 % vody vaří při 78,2 °C, je tedy těkavější než čistý ethanol. Proto nelze frakční destilací získat z této směsi úplně čistý ethanol - musí se použít azeotropní destilace.

Přístroj pro frakční destilace (jedná se o destilaci dávkovou; může existovat také přístroj pro kontinuální destilaci) je zobrazen na obrázku. Směs se umístí do baňky s kulatým dnem, přidají se také varné kamínky (nebo magnetický míchač potažený PTFE, pokud se používá magnetické míchání) a shora se napojí rektifikační kolona. Když se směs začne vařit, páry stoupají do kolony. Kondenzují na skleněných destičkách v koloně a vrací se do kapaliny dole, proti směru pohybu par. Kolona se odspodu ohřívá. Účinnost ve smyslu množství tepla a času potřebných k dostatečné frakcionaci lze zlepšit izolací kolony, například vlnou, hliníkovou fólií nebo nejlépe vakuovým obalem. Nejvyšší teplotu mají destičky dole, nejnižší nahoře. V ustáleném stavu jsou pára a kapalina na každé destičce v rovnováze. Pouze nejtěkavější látka zůstává v plynné fázi po celou cestu nahoru. Z horního konce kolony páry vstupují do kondenzátoru, kde se ochladí a zkapalní. Separace je kvalitnější, přidá-li se více destiček (s praktickým omezením ohledně tepla, toku apod.). V kondenzátu, který byl zpočátku velmi blízký azeotropní směsi, postupně roste obsah vody. Proces pokračuje, dokud se všechen ethanol nevyvaří ze směsi. Tento bod lze rozpoznat podle ostrého nárůstu teploty na teploměru.

Uvedený příklad typicky jen ukazuje, jak frakční destilace teoreticky funguje. Běžné laboratorní frakcionační kolony jsou obyčejné skleněné trubky (často vakuově opláštěné, někdy vnitřně postříbřené) s výplní, například s malými skleněnými spirálami o průměru 4 až 7 mm. Takovou kolonu lze kalibrovat destilací známé směsi (ke kvantifikaci počtu teoretických desek). Ke zlepšení frakcionace přístroje se může kondenzát vracet do kolony pomocí některého druhu refluxního děliče (refluxní přepad, McIntirova hlava, magnetická výkyvná nádoba apod.) - typická pečlivá frakcionace bude mít refluxní poměr okolo 10:1 (10 dílů kondenzátu se vrací, 1 díl odchází).

Při laboratorní destilaci se používá několik typů kondenzátorů. Liebigův kondenzátor je prostě přímá trubice s vodním pláštěm, je to nejjednodušší (a relativně nejlevnější) druh kondenzátoru. Grahamův kondenzátor je šroubovicová trubka ve vodním plášti, Allihnův kondenzátor pak série "bublin" na trubce uvnitř vodního pláště.

V jiném druhu soupravy se může využívat adaptér s vývody do několika stran, napojený na více baněk na destilát. Jeho otáčením lze destilát směrovat do té správné. Perkinův trojúhelník je zařízení, které umožňuje sbírat destilační frakce bez takového adaptéru. Častěji se ale využívá pro destiláty, které jsou citlivé na vzduch nebo při destilaci za sníženého tlaku, ale lze ho používat i pro běžnou prostou nebo frakční destilaci.

Systémy pro vakuovou destilaci pracují při snížením tlaku, čímž se snižuje teplota varu destilovaných látek. Při sníženém tlaku nefungují varné kamínky.

Frakční destilace v průmyslu

Typické kolony pro průmyslovou frakční destilaci

Destilace je nejčastější separační technologií používanou v rafinériích ropy, v petrochemických a chemických závodech a při zpracování zemního plynu. Většinou se destiluje v nepřetržitém ustáleném stavu. Nová surovina se přidává do destilační kolony a produkty se vždy odstraňují. Není-li proces narušen změnou suroviny, tepla, okolní teploty nebo kondenzace, množství přidávané suroviny a odebíraných produktů je v rovnováze. Jedná se tedy o kontinuální frakční destilaci.

Průmyslová destilace typicky probíhá ve velkých svislých válcích známých jako "destilační nebo frakcionační věže" nebo "destilační kolony" s průměrem od cca 65 centimetrů do 6 metrů a výškou od cca 6 do 60 metrů i více. Destilační věže mají výstupy kapaliny v potřebných intervalech podél kolony, což umožňuje odběr různých frakcí čili produktů s různým bodem varu (nebo rozsahem teploty varu). "Nejlehčí" produkty (s nejnižší teplotou varu) vycházejí na vrcholu kolony, "nejtěžší" (s nejvyšší teplotou varu) v její dolní části.

Frakční destilace se například používá v ropných rafineriích k separaci různých užitečných látek (čili frakcí), obsahujících uhlovodíky s různou teplotou varu, ze surové ropy. Frakce s vyššími teplotami varu:

• mají více atomů uhlíku v molekule
• mají větší molární hmotnost
• jsou tmavší
• mají vyšší viskozitu
• jsou hůře zápalné a méně náchylné na vznícení

Diagram typické průmyslové destilační věže

Nákres procesu frakční destilace ropy. V rektifikační koloně dochází k oddělování ropných frakcí na základě různého bodu varu jednotlivých frakcí. Nejvíc těkavé frakce jsou odváděny vrchem kolony, ty nejstálejší při spodku.

Věže pro velkoobjemovou destilaci používají reflux (zpětný tok), aby byla dosažena kvalitnější separace produktů. Reflux znamená tu část kondenzované kapaliny z destilační/frakcionační věže, která se vrací do horní části věže, jak je vyobrazeno v diagramu typické velkoobjemové průmyslové destilační věže. Uvnitř věže stéká refluxní kapalina dolů a ochlazuje páry stoupající vzhůru, tím je kondenzuje a zvyšuje tak účinnost destilační věže. Čím větší je reflux pro daný počet teoretických ploch, tím lépe věž separuje látky s nižším bodem varu od těch s bodem varu vyšším. Alternativně lze tvrdit, že čím větší je reflux pro požadovanou separaci, tím méně teoretických ploch je potřeba.

Frakční destilace se používá i při dělení vzduchu, kdy se vyrábí kapalný kyslík, dusík a vysoce koncentrovaný argon. Destilace chlorsilanů umožňuje výrobu velmi čistého křemíku pro použití jako polovodiče.

Při průmyslové destilaci se někdy v koloně místo destiček používá výplňový materiál, zvláště pokud je potřeba tvorba kapen za nízkého tlaku, jak je tomu při vakuové destilaci. Tato výplň může být buď neuspořádaně nasypaná, například Raschigovy kroužky, anebo strukturovaná (strukturované pásky kovu). Kapaliny smáčejí povrch výplně a páry přes tento mokrý povrch procházejí. Zatímco při klasické konstrukci reprezentuje každá destička samostatný bod rovnováhy mezi parami a kapalinou, rovnovážná křivka výplně je spojitá. Při modelování je však užitečné provádět výpočet pro počet teoretických ploch k vyjádření účinnosti separace vzhledem k tradičním destičkám. Různě tvarovaná výplň má různý povrch a různý volný prostor. Oba tyto faktory ovlivňují účinnost.

Související články

• Destilace
• Azeotropní destilace
• Dávková destilace
• Vakuová destilace
• Parní destilace
• Extraktivní destilace
• Rektifikační kolona
• Frakční sublimace
• Raschigův kroužek

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu Frakční destilace na Wikimedia Commons

• Validating Your Binary VLE Data
• ACS Distillation Tower Packing
• Chemistry Activity: Fractional Distillation

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Fractional distillation na anglické Wikipedii.