(Fr.: distiller; Du.: destillieren; Eng.: to distil), een in het chemische laboratorium en in de chemische industrie toegepast fysisch procédé voor de scheiding van de componenten van mengsels van stoffen (mengsel van een vloeistof en een vaste stof of een mengsel van twee of meer vloeistoffen).
De scheidingsmethode berust op het principe dat een damp- en een vloeistofmengsel die dezelfde samenstelling hebben, spontaan in samenstelling gaan verschillen wanneer zij met elkaar in aanraking worden gebracht. De damp die door verhitten of/en door verminderen van de druk (toegepast bij vacuümdestillatie) uit het mengsel wordt ontwikkeld, heeft in het algemeen een andere samenstelling dan de vloeistof. Deze damp wordt gewoonlijk na het verlaten van de vloeistof door afkoelen gecondenseerd. Hierdoor wordt een zekere scheiding tot stand gebracht. Deze scheiding is onvolledig, tenzij damp en vloeistof zeer sterk in samenstelling verschillen.
De componenten die in dampvorm worden gebracht en door koeling worden gecondenseerd, worden destillaat genoemd, het achterblijvende mengsel destillatieresidu.
In de eenvoudigste vorm bestaat destillatieapparatuur uit een verdampingsruimte (destillatiekolf), een condensor (koeler) en een opvangruimte (destillaatkolf, opvangkolf).
Bij rectificatie worden damp en vloeistof voortdurend of herhaaldelijk met elkaar in aanraking gebracht en bewegen zij zich in tegengestelde richting. Er ontstaat een zodanige opeenstapeling van veranderingen in de samenstelling dat de componenten van het mengsel in het algemeen goed worden gescheiden. Hoewel deze wijze van scheiden in principe toepasbaar is op een veelcomponentensysteem, zal hierna het eenvoudigste geval, het scheiden van twee componenten, worden besproken.
Vloeistof-dampevenwicht.
Volgens de fasenregel van Gibbs heeft een systeem dat bestaat uit een vloeistof- en een dampfase van slechts één component, één vrijheidsgraad, zodat een ondubbelzinnig verband bestaat tussen de dampdruk p en de temperatuur T, weergegeven door de vergelijking van Clapeyron:
dp/dT = ∆H/T∆V
waarin ∆H de molaire verdampingswarmte is en ∆V de volumeverandering bij omzetting van één molecule vloeistof in één molecule damp. Uit deze wet volgt bij benadering:
lg10p = − A/T + B
In deze vergelijking van Young zijn A en B constanten. Van deze vergelijking maakt men gebruik bij het berekenen van het kookpunt van een zuivere stof bij een bepaalde druk, als het kookpunt bij een andere druk bekend is.
Een stelsel van twee componenten waarvan de vloeistof- en dampfase met elkaar in evenwicht verkeren, heeft volgens de fasenregel van Gibbs twee vrijheidsgraden. Gewoonlijk wordt in de praktijk de totale druk constant gehouden, zodat slechts één vrijheidsgraad overblijft, en een ondubbelzinnig verband bestaat tussen de temperatuur en de samenstelling van de vloeistof- en de dampfase. Dit verband wordt grafisch weergegeven door een zgn. T,x,y-diagram (zie Fasenleer: afb. 7 (systeem hexaan-tolueen)) waarin T de temperatuur is, x de vloeistofsamenstelling en y de bijbehorende dampsamenstelling, uitgedrukt in molaire fracties van de meest vluchtige component. Uit de afbeelding is af te lezen dat de ontwijkende damp geen zuivere component is en dat wanneer deze damp gecondenseerd en afgevoerd wordt, er in de vloeistof minder benzeen overblijft, zodat x kleiner wordt. In dit geval oefenen de beide componenten geen onderlinge wisselwerking op elkaar uit; zulk een systeem wordt als ideaal betiteld. Is dit wel het geval, dan krijgt de kooklus een ander aanzien. Bij sterk niet-ideale mengsels kunnen er twee gescheiden lussen ontstaan, in welk geval sprake is van een azeotroop; in het snijpunt van de lussen behoort bij de samenstelling van de vloeistof dezelfde dampsamenstelling, waardoor een dergelijk mengsel door destillatie niet gescheiden kan worden.
Bij het destilleren van een mengsel moet men dus steeds bedacht zijn op het optreden van azeotropie, vooral wanneer beide stoffen weinig verwant zijn (minimumazeotroop), of de neiging hebben tot associatie (maximumazeotroop ten gevolge van waterstofbrugvorming als bij chloroform/aceton of ten gevolge van ionvorming als bij water/HCl). Daar de samenstelling van een azeotroop afhankelijk is van de druk, kan men in sommige gevallen toch beide componenten zuiveren door bij een andere druk te destilleren. Soms is het beter gebruik te maken van een hulpstof, zoals het toevoegen van benzeen bij de scheiding van pyridine en water (azeotropische destillatie).
Rectificerende destillatie.
Uit de genoemde afbeelding is af te lezen dat de damp van een mengsel van componenten zelf geen zuivere component is, zodat geen scheiding bewerkstelligd kan worden. Om hierin verbetering te brengen, wordt een destillatiekolom aangebracht tussen het kookvat en de condensor. In deze kolom stroomt de gecondenseerde vloeistof naar beneden en ontmoet opstijgende damp.
Daar de damp een hogere temperatuur heeft dan de vloeistof zijn beide niet met elkaar in evenwicht. Als gevolg hiervan zal een uitwisseling tussen damp en vloeistof optreden en wel zodanig dat uit de damp een hoeveelheid van de minder vluchtige component condenseert en naar beneden wordt gevoerd, terwijl uit de vloeistof een hoeveelheid van de vluchtige component verdampt en met de reeds aanwezige damp opstijgt. Daar dit proces continu over de hele kolom plaatsheeft, wordt de damp naar boven toe in de kolom steeds rijker aan vluchtige component. Zo zal zich na enige tijd een stationaire toestand instellen, waarbij op een gegeven plaats in de kolom de damp niet meer in samenstelling verandert, evenmin als de vloeistof.
Het is essentieel dat er steeds een goede mogelijkheid tot contact tussen vloeistof en damp bestaat. Dit wordt bereikt door het contactoppervlak te vergroten, zodat de vloeistof niet meer uitsluitend langs de wand van de kolom vloeit. Men kan dit bereiken door gebruik te maken van een vigreuxkolom (spijkeropzet), een kolom met vullichamen (in de vorm van glazen of porseleinen (raschig)ringen, spiraaltjes enz.) of een kolom met een roterende spiraal. In deze gevallen is er steeds van een continu verlopend contact tussen vloeistof en damp sprake. In de industrie wordt meestal geen ladingsgewijze maar continue destillatie toegepast; tevens wordt van kolommen gebruik gemaakt waar de destillatie discontinu verloopt, met name bij zgn. schotelkolommen. De vloeistof wordt door middel van valpijpen gevoerd naar een ‘schotel’ waarvan er zich op onderling gelijke afstanden een aantal in de kolom bevinden. In deze schotels bevinden zich bijv. een groot aantal kleine gaatjes, waardoor de opstijgende damp met de vloeistof in aanraking wordt gebracht. Het is duidelijk dat een betere scheiding optreedt naarmate de kolom meer schotels heeft. Men kan uitrekenen hoeveel evenwichtsschotels men nodig zou moeten hebben om een bepaald mengsel tot een bepaalde zuiverheid in zijn componenten te scheiden. Dit getal noemt men het aantal theoretische schotels. Omgekeerd kan men van een bestaande kolom (of dit nu een schotelkolom is of niet) door destilleren van proefmengsels bepalen hoeveel theoretische schotels deze kolom heeft.
Is het schotelgetal van een bepaalde kolom met lengte l gelijk aan n, dan is de gemiddelde kolomhoogte, waarvan de werking overeenkomt met één theoretische schotel, gelijk aan l/n. Deze grootheid, in m uitgedrukt, wordt HETP genoemd (height equivalent to one theoretical plate).
De voor de praktijk belangrijke vraag is welke kolom te gebruiken voor een bepaald mengsel dat gescheiden moet worden. Op het eerste gezicht zou men geneigd zijn te onderstellen dat het aantal theoretische schotels, benodigd voor deze scheiding, alleen afhankelijk zou zijn van het verschil in kookpunt van de componenten in het mengsel; hoe kleiner dit verschil, hoe groter het aantal benodigde schotels. Er zijn echter een aantal andere factoren, die hierop van invloed zijn. Ten eerste speelt de procentuele samenstelling van het mengsel een rol. Bovendien is de geëiste graad van zuiverheid (de scheidingsscherpte) van invloed. Een ander belangrijk punt is de snelheid van voeden (bij continu proces) van de kolom en van aftappen van de componenten.
Aftappen verstoort het evenwicht; hoe sneller wordt afgetapt, des te meer theoretische schotels zijn nodig om toch een goede scheiding te verkrijgen. Deze aftapsnelheid hangt af van de belasting M (aantal verdampte cm3 vloeistof per tijdeenheid) en van de refluxverhouding r, gedefinieerd als het quotiënt van de hoeveelheid vloeistof R die niet wordt afgetapt en als reflux weer in de kolom afvloeit, gedeeld door de hoeveelheid afgenomen destillaat D. Met andere woorden: R + D = M en R/D = r.
Hoe kleiner r, hoe meer dus wordt afgetapt. Er bestaan grafieken waaruit het verband tussen de te kiezen refluxverhouding en het benodigde aantal theoretische schotels voor een bepaald scheidingsprobleem zijn af te lezen. Op grond hiervan kan men de meest geschikte kolom en de toe te passen refluxverhouding kiezen. De uiteindelijke keuze is een zaak van economie: optimale combinatie van investerings- en exploitatiekosten, energieverbruik enz.
Ook dient, bij ladingsgewijze operatie, gewezen te worden op het begrip hold up. Dit is de hoeveelheid vloeistof die zich tijdens het destillatieproces in de kolom bevindt. Zo is het niet aan te raden een kleine hoeveelheid mengsel te destilleren in een kolom met een grote hold up (zoals een kolom met vullichamen), omdat dan bijna alle vloeistof zich in de kolom zal bevinden, en er slechts weinig kan worden afgedestilleerd.
Moleculaire destillatie.
Hierbij bevindt zich op korte afstand van het oppervlak van een verwarmde vloeistof een koude wand. De druk wordt zo laag gehouden dat de verdampende moleculen merendeels zonder botsingen met gasmoleculen rechtstreeks van de hete naar de koude wand vliegen, waar zij gecondenseerd worden. Een evenwicht, waarbij uit de vloeistof voortdurend evenveel verdampt als er in condenseert, kan zich dus niet instellen. De verwarming vindt dikwijls plaats door de vloeistof in een dunne laag langs een hete wand te laten stromen, vandaar de naam filmdestillatie. Moleculaire destillatie wordt o.a. gebruikt voor het winnen van vitamine A uit levertraan, waarin het voorkomt in de vorm van een vetzure ester die vluchtiger is dan de olie zelf.
Extractieve destillatie is een combinatie van destillatie met absorptie, bijv. toegepast bij het scheiden van een mengsel van tolueen en benzinekoolwaterstoffen. Het verhitte mengsel wordt op halve hoogte in een fractioneerkolom geleid, terwijl een derde vloeistof (fenol) van boven in de kolom wordt ingelaten. De dampspanning van de zwaarste component (tolueen) wordt door het fenol zodanig verminderd dat de benzine nagenoeg vrij van tolueen aan de top van de kolom afdestilleert. Fenol en tolueen verlaten de kolom aan de bodem en worden daarna door destillatie van elkaar gescheiden. De hulpstof (fenol) wordt dus niet overgedestilleerd; dit in tegenstelling tot de azeotrope destillatie.