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Thermische Trennung

Reine Substanzen

Phasendiagram

Reine Substanzen treten je nach Temperatur und Druck in einem der drei Agregatzustände fest, flüssig oder gasförmig auf. Bei der Destillation interessieren wir uns vor allem für die flüssige und die gasförmige Phase sowie die Übergänge zwischen den beiden (Verdampfung, Kondensation). Wie man dem Phasendiagramm entnehmen kann erfolgt eine Verdampfung bei einer Erhöhung der Temperatur und / oder einer Erniedrigung des Drucks. Für die Kondensation gilt genau das Umgekehrte.

Für eine gegebene Temperatur gibt die Trennlinie zwischen flüssiger und gasförmiger Phase denjenigen Druck an, bei dem die Flüssigkeit siedet, d.h., wo der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich dem Umgebungsdruck ist. Offensichtlich reduziert eine Druckabnahme den Siedepunkt und umgekehrt.

Siedekurve von Stearinsäure

Die Siedekurve von Stearinsäure zeigt, wie stark der Umgebungsdruck die Siedetemperatur beeinflussen kann.

Dies ist auch interessant im Zusammenhang mit der Tatsache, dass viele Substanzen thermisch instabil sind, d.h., bei Erwärmung zu Veränderungen wie etwa Zerfall oder Polymerisation neigen. Eine Verminderung des Drucks kann deswegen ein effektives Verfahren sein, um solche Substanzen sanft, d.h., bei unkritischen Temperaturen, in den Gaszustand überzuführen. Eine Druckminderung kann auch von Vorteil sein, um besonders hochsiedende Substanzen in einem Temperaturbereich zu Verdampfen, der technisch einfacher zu handhaben ist.

Gemische

Zur Charakterisierung von Gemischen aus zwei oder mehr Komponenten müssen zusätzlich die molaren Anteile (Molenbruch) xi der jeweiligen Substanzen berücksichtigt werden. Hierbei gilt 0 ≤ xi ≤ 1 und Σ xi = 1.

In Abhängigkeit vom Dampfdruck der einzelnen Komponenten unterscheidet sich der Molenbruch der beiden Komponenten in der flüssigen und in der gasförmigen Phase. Im thermischen Gleichgewicht werden sich Substanzen mit einer höheren Volatilität (= niedrigerer Siedepunkt) in der Gasphase anreichern während diejenigen mit einem höheren Siedepunkt sich eher in der flüssigen Phase konzentrieren.

Dies eröffnet die Möglichkeit, Flüssiggemische mit Hilfe einer Destillation thermisch zu trennen, sofern die Siedetemperaturen bzw. die Dampfdrücke hinreichend verschieden sind. Die Destillation ist hierbei nichts anderes als eine Verdampfung mit nachfolgender Kondensation.

Trennfaktor

Die unterschiedliche Volatilität zwischen den Komponenten i und j wird üblicherweise mit dem Trennfaktor αij bezeichnet. Bei gegebener Temperatur kann er bequem als das Verhältnis der Dampfdrücke der jeweils reinen Substanzen approximiert werden.

Bei einem binären Gemisch (Komponenten A und B) ist das Konzentrationsverhältnis der beiden Komponenten in der Gasphase als Funktion des Konzentrationsverhältnisses in der flüssigen Phase im nebenstehenden Diagram dargestellt. Der Parameter α mißt die relative Volatilität der Komponente A bezogen auf die Komponente B.