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Das Wort Destillation leitet sich vom lateinischen destillare („herabträufeln“) ab. Das Verfahren war schon bei den
alten Ägyptern bekannt. Die einfachste Destillationsapparatur bestand
aus einem Gefäß mit einem Deckel, an dem sich beim Erhitzen
die kondensierte Flüssigkeit niederschlug. Damit die Flüssigkeit
nicht wieder in das Gefäß zurücktropfte, verwendete man
Wollbausche, die die Flüssigkeit aufsogen. Auf diese Art und Weise
gewannen die Handwerker schon früh mit Hilfe einer vergleichsweise
primitiven Apparatur etherische Öle.
Die alten Griechen kannten
schon den Destillierhelm (griech. ambix, lat. alembicus,
arab. al-anbiq). Von diesen Bezeichnungen leitete sich der alchemistische
Begriff Alembicus ab. In diesem Gerät
gelangte der Dampf über ein dünnes Rohr in eine kugelförmige
Erweiterung, an deren Boden sich ein Ablauf befand. Die Kühlung des
Dampfes erfolgte durch die relativ große Oberfläche der Kugel
und die angrenzende Luft.
Alembicus mit Helm und Ablauf Die Destillationstechnik
wurde im ersten Jahrtausend nach Christus vor allem von den Arabern weiterentwickelt.
Sie führten das schonende Erhitzen im Wasserbad und auch die Wasserdampfdestillation
zur Herstellung von etherischen Ölen und Duft-Ölen aus Kräutern
ein. Im 10. und 11. Jahrhundert waren große Öfen gebräuchlich,
auf die viele kleine Destillationsapparaturen gestellt wurden und gleichzeitig
betrieben werden konnten. Derartige Konstruktionen hießen Galeerenöfen.
Galeerenofen im Deutschen Museum München Die
Alchemisten des Mittelalters verbesserten die Kühlleistung der Apparaturen
und entwickelten die Serpente, ein Apparat
mit sehr langem Dampfrohr. Bei der Retorte
war der Destillierhelm mit dem Kolben zu einem Stück verschmolzen
und mit einem langen Kühlrohr verbunden.
Bei den verbesserten
Apparaten mit Wasserkühlung wurde das Kühlrohr verlängert
und durch ein Wasserfass geleitet oder es befand sich um den Destillierhelm
eine große Wasserschüssel. Diese Apparatur hieß Mohrenkopf,
da die Kühlschüssel wie ein Turban aussah.
Mit
der Entdeckung des Alkohols im 12. Jahrhundert erhielt man eine brennbare
Flüssigkeit, die in der Medizin eine breite Verwendung fand. Zur Herstellung
von hochprozentigem Alkohol musste Wein mehrere Male destilliert werden.
Später setzte man auch Kräuter bei der Alkoholdestillation zu
und erhielt Kräuterextrakte. Der Holzschnitt stellt einen Betrieb
im 16. Jahrhundert zur Alkoholherstellung dar. Links zerkleinert eine Frau
Kräuter, die dann mit Alkohol destilliert werden. Die Frau rechts
füllt die Extrakte in Flaschen ab:
Herstellung von Alkohol und Kräuteressenzen im 16. Jahrhundert Prinzip der Destillation
Bei der Destillation werden Flüssigkeitsgemische durch Erhitzen getrennt. Die Flüssigkeit mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft beim Hochheizen zuerst und kann nach dem Kondensieren des verdampften Gases durch ein Kühlsystem wieder aufgefangen werden. Dies soll am Beispiel der Destillation von Wein, dem „Schnapsbrennen“, aufgezeigt werden (>Schülerübung): Siedetemperatur von Ethylalkohol: 78 °C Siedetemperatur von Wasser: 100 °C In unserem Beispiel würde der Alkohol theoretisch bei 78 °C verdampfen, während das Wasser zunächst zurückbleibt. In der Praxis ist es aber so, dass bei 78 °C auch schon ein Teil des Wassers verdampft, weshalb man nie reinen Alkohol erhält. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass am Anfang der Destillation, dem sogenannten Vorlauf, auch noch Methanol überdestilliert. Methanol besitzt eine Siedetemperatur von 64,5 °C und kommt in schlecht vergorenem Alkohol gelegentlich vor. Da Methanol giftig ist, muss der Vorlauf verworfen werden. Beim Siedepunkt geht eine Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand über, die flüssige und die gasförmige Phase stehen dann in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand. Da der Siedepunkt vom Außendruck abhängig ist, gelten die tabellarischen Werte für den Siedepunkt eines Stoffes bei einem Normaldruck mit 1013 Millibar. Beim Erreichen des Siedepunktes unter Normalbedingungen entspricht der Dampfdruck einer Flüssigkeit dem äußeren Druck mit 1013 Millibar. Beim Erwärmen einer Flüssigkeit wird die zugeführte Wärme zunächst zum Aufheizen der Flüssigkeit verwendet. Je mehr sich die Temperatur der Flüssigkeit dem Siedepunkt nähert, umso mehr wird die Wärme zum Verdampfen der Flüssigkeit verwendet. Beim Erreichen des Siedepunktes steigt die Temperatur für längere Zeit nicht mehr an, sie bleibt konstant. Die zugeführte Wärme dient dann nur noch dem Verdampfen der Flüssigkeit. An der konstant bleibenden Temperatur erkennt man das Erreichen des Siedepunktes. Da der Siedepunkt eines Stoffes mit abnehmendem Druck (und daher auch bei zunehmender Höhenlage sinkt, siehe Abbildung), werden Destillationen auch unter Vakuum durchgeführt. Die Abnahme des Druckes erniedrigt die Siedetemperatur, so dass weniger Energie beim Heizen aufgewendet werden muss. Eine einfache luftgekühlte
Destillationsapparatur lässt sich aus einem Destillierkolben, einer
Heizung (Brenner, Herdplatte) und einem luftgekühlten Rohr bauen.
Zur Verbesserung der Kühlleistung wird meist der Liebigkühler
eingesetzt, ein einfaches ummanteltes, mit Wasser gekühltes Rohr.
Der Wasserzufluss erfolgt stets an der tiefsten Stelle des Kühlers
(andere Kühlerbauweisen siehe >Kühlen).
Der Thermometer misst die Temperatur des verdampften Stoffes, im Kühlrohr
kondensiert der erhitzte Dampf wieder zu einer Flüssigkeit. In der
Vorlage fängt man das erhaltene Destillat auf. Die nachfolgende Apparatur
eignet sich zum Destillieren von Wein als Schülerübung:
Aufbau einer einfachen Destillationsapparatur mit einem luftgekühlten Kühlrohr Bei
der fraktionierten Destillation können
mehrere Komponenten eines Flüssigkeitsgemisches getrennt werden. Voraussetzung
ist das Vorliegen unterschiedlicher Siedetemperaturen der verschiedenen
Flüssigkeiten. Eine einfache, fraktionierte Destillation lässt
sich mit einer Schliffapparatur und einer sogenannten „Spinne“ als Vorlage
durchführen. Ein Alkohol-Wasser-Gemisch wird zunächst auf die
Siedetemperatur des Alkohols erhitzt, wobei sich im ersten Rundkolben der
Vorlage als Destillat der Alkohol sammelt. Nun wird die Spinne gedreht
und auf die Siedetemperatur des Wassers hochgeheizt. In dem zweiten Rundkolben
sammelt sich dann das Wasser. Auf diese Art und Weise können mit der
dargestellten Apparatur vier Fraktionen abgetrennt werden:
Fraktionierte Destillation mit drehbarer „Spinne“ und Möglichkeit zur Evakuierung Bei
der Vakuumdestillation wird die Apparatur
am Vakuumvorstoß der Vorlage mit Hilfe einer Pumpe evakuiert. Da die Apparatur
implodieren kann, muss eine Schutzbrille getragen werden. Außerdem
dürfen nur relativ kleine Rundkolben verwendet werden, die speziell
dafür erhältlich sind. Die Vakuumdestillation eignet sich auch
für Stoffe mit hohem Siedepunkt und für Stoffe, die sich bei
höheren Temperaturen leicht zersetzen. Die Herabsetzung des Drucks
verringert die Siedepunkte der verwendeten Stoffe.
Die bisher beschriebenen Destillationsapparaturen eignen sich nicht für eine kontinuierliche,
fraktionierte Destillation. Will man zum Beispiel ein Gemisch vieler Stoffe
wie Erdöl destillieren, dann müsste die Vorlage jedes Mal gewechselt
und gereinigt werden. Bei der fraktionierten Gegenstromdestillation
sammeln sich auf sogenannten „Glockenböden“ Fraktionen eines bestimmten
Siedebereichs, die laufend entnommen werden können.
Vergrößerte Ansicht einer Glockenbodenkolonne Der aufsteigende Dampf
durchperlt die Glockenböden, die eine bestimmte Temperatur besitzen.
Dabei kondensieren alle Stoffe mit einem höheren Siedepunkt in der
Flüssigkeit im Glockenboden. Durch die seitlich liegenden Hähne
können die einzelnen Fraktionen entnommen werden. Durch seitlich angebrachte
Schraubverschlüsse können Thermometer eingeführt werden,
um die Temperatur der Fraktionen zu messen. Ist der Glockenboden voll,
fließt die Flüssigkeit durch einen Überlauf in den Kolben
zurück. Mehrere Glockenböden bilden eine Kolonne.
Fraktionierte Gegenstrom-Destillation mit Glockenbodenkolonnen Diese Technik wird auch
im industriellen Maßstab bei der fraktionierten Erdöldestillation
angewandt. In einem Röhrenofen wird das Rohöl auf über 400 °C
erhitzt und weitgehend verdampft. Im Destillationsturm durchperlt der aufsteigende
Rohöldampf die Glockenböden. Man erhält verschiedene Fraktionen,
die alle weiterverarbeitet werden und wichtige Zwischenprodukte in der
organischen Chemie darstellen (>Arbeitsblatt).
Fraktionierte Destillation von Erdöl im Destillationsturm Beim
Destillieren reichern sich die leichtflüchtigen Bestandteile mit niedrigem
Siedepunkt in der Dampfphase an. Kondensiert man den Dampf in einer Kolonne
weiter oben und destilliert man erneut, so verbessert sich die Trennung
der leichtflüchtigen Bestandteile. Dieses Prinzip kann in einem einzigen
Arbeitsgang durchgeführt werden, wenn man dem aufsteigenden Dampf
kondensierte Flüssigkeit entgegenströmen lässt. Dieses Verfahren
heißt Rektifikation. Es wird mit einer
Vigreux-Kolonne durchgeführt und ermöglicht
eine besonders effektive Trennung von flüssigen Stoffgemischen.
Rektifikation unter Verwendung einer Vigreux-Kolonne Bei
der Wasserdampf-Destillation reißt der
Wasserdampf andere Flüssigkeiten (oder sogar Feststoffe) mit sich,
die eine höhere Siedetemperatur haben oder in Wasser nicht löslich
sind. Dies wird entweder durch das Erhitzen eines Gemisches aus Wasser
und dem zu trennenden Stoff oder durch das Einleiten von Wasserdampf in
das Stoffgemisch erreicht.
Apparatur zur vereinfachten Wasserdampf-Destillation für die Schule
Eine einfache Wasserdampf-Destillationsapparatur besteht aus einem Wasserdampf-Entwickler, der Dampfleitung mit dem Wasserdampf, einem Kolben für das Destillationsgut und einem nachgeschalteten Kühler mit
Vorlage. Die oben gezeigte Apparatur eignet sich zur Gewinnung von etherischen
Ölen aus Lavendel- oder Rosmarinblüten als Schülerübung.
Kopiervorlagen zum Destillieren |