Tegenpolige moleculen zetten destillatie op zijn kop

Een van de meest gebruikte scheidingsmethoden in de chemische procesindustrie is destillatie. Nog steeds. De technologie werd al vanaf het begin van de jaartelling door de Grieken gebruikt. In de 19e eeuw werd de eerste continue destillatiekolom getoond, waar het vooral gebruikt werd om het alcoholpercentage in drank mee te verhogen. In de eerste helft van de twintigste eeuw werd destillatie dé belangrijkste vorm van scheidingstechnologie in de chemische industrie. En dat is opmerkelijk in deze tijd, want de energie- intensieve scheidingsmethode neemt ongeveer 50% van de totale energieconsumptie van de chemische- en olie industrie voor haar rekening.

Distillation is the most important and most visible separation technology. The skyline of many refineries and chemical plants is dominated by tall distillation towers, and it cannot be denied that their spatial arrangements often amounts to architectural beauty

Prof. Dr. F. Zuiderweg, TU Delft, 1988

Hoe werkt destillatie?

Als ik het super eenvoudig wil houden leg ik aan de toehoorders uit dat het principe van destillatie berust op het verschil in kookpunt van twee (of meer) componenten. Ik geef dan het bijvoorbeeld om gedestilleerde drank te maken: een mengsel van alcohol en water wordt aan de kook gebracht. De alcohol kookt bij 80 ˚C en het water bij 100 ˚C. De alcohol zal dan als eerste uit het mengsel ontsnappen en wordt met koelwater vervolgens weer gecondenseerd en opgevangen. Voilà, na een tijdje heb ik een glas water en een glas alcohol over. Als dit proces in de destillatiekolom een paar keer wordt herhaald spreek je van rectificatie. Hoe dat precies in zijn werk gaat leg ik uit in mijn gratis e-book.

Is er dan een betere uitleg?

In de professionele destillatie wordt de zogenaamde K-factor gebruikt. De K-factor geeft de verhouding weer van de concentratie in de dampfase en in de vloeistoffase. Met andere woorden, de tendens om te verdampen: hoe groter de K-factor, hoe meer er verdampt. Hoe de K-factoren van twee componenten zich tot elkaar verhouden wordt de relatieve vluchtigheid “alpha” genoemd. Alpha = K1/K2. Als alpha groot is zal een van de twee stoffen makkelijker verdampen dan de andere en zullen de stoffen makkelijk van elkaar te scheiden zijn met destillatie. Als alpha ongeveer gelijk is aan “1”, zullen de twee stoffen ongeveer even vluchtig zijn en daarmee niet met destillatie te scheiden zijn. Nu krijgt het begrip destillatie een andere betekenis. Destillatie is de techniek waarbij componenten worden gescheiden op basis van hun relatieve vluchtigheid. Maar helaas, zoals zoveel zaken, is niets zo eenvoudig als het lijkt. De natuur laat zich niet zomaar vangen. Het mengsel water-alcohol is veelgebruikt (omdat het in alcoholische drank zit), maar het is meteen een lastig te scheiden mengsel. Met normale destillatie is het mengsel niet verder te scheiden dan 96% alcohol en zal er dus altijd tenminste 4% water achterblijven. Dit heeft te maken met de krachten tussen de moleculen.

51620786 - two dipoles magnets repels eatch other. black background

In het geval van water en alcohol trekken deze moleculen elkaar aan, maar bij water met bijvoorbeeld tolueen zullen de moleculen elkaar juist afstoten. Voor dit niet ideale gedrag kan de K-factor worden gecorrigeerd met de factor “gamma”. Even samenvattend:

Destillatie 1

Het verschil tussen theorie en praktijk…

…is in praktijk meestal groter dan in theorie zou mijn broertje zeggen. En dat is hier ook zo. Tijdens een training van destillatiegoeroe Henry Kister een aantal jaren geleden in Londen, kwam hij met het volgende praktijkvoorbeeld:

In een tank waar afvalwater uit de plant in werd opgeslagen bevond zich een beetje Methylchloride (MeCl2). Niet echt een lekker stofje, maar de concentratie in water was slechts 0,2%, dus de uitstoot naar de lucht (de concentratie in de dampfase) zou ook wel laag zijn. Op basis van een berekening van de K-factor als dit systeem ideaal was zou er als volgt uitzien: de K-factor van MeCl2 in water is 0,6, wat dus betekent dat bij een concentratie van 0,2% in de vloeistoffase een concentratie in de dampfase van 0,6 x 0,2 = 0,12 % zou opleveren. Erg weinig dus en geen probleem.

Destillatie 2

Nou blijken de echte, praktische, data er heel anders uit te zien. De correctiefactor gamma vanwege het niet ideaal zijn van het systeem blijkt 225 te zijn. Wat betekent dit?
Dat betekent dat de K-factor van de ideale situatie met deze correctiefactor vermenigvuldigd moet worden: K-factor praktijk = gamma x theoretische K-factor = 225 x 0,6 = 135. Het plaatje ziet er nu ineens heel anders uit. De concentratie in de dampfase wordt nu ineens 27%. Niet meer iets om in de categorie “valt wel mee” te stoppen lijkt me zo.

Destillatie 3

Tegenpolen

Hoe de componenten zich tussen de vloeistof en dampfase verdelen, iets wat een essentieel onderdeel is van destillatie, wordt dus niet alleen bepaald door het verschil in kookpunt, maar ook hoe de moleculen elkaar onderling aantrekken of afstoten. Dit laatste is weer afhankelijk van de concentratie van de componenten onderling.Destillatie 4

In ons voorbeeld van MeCl2 in water: als er een druppeltje MeCl2 in heel veel water zit, zal de MeCl2 door het water worden afgestoten en de meest vluchtige component van de twee zijn. Als er een druppeltje water in heel veel MeCl2 zit zal het water de meest vluchtige component van de twee zijn. En dit ondanks het grote verschil in kookpunt tussen de twee componenten (-24 ˚C voor MeCl2 versus 100 ˚C voor water). Op basis van verschil in kookpunt zou je verwachten dat de MeCl2 altijd eerder zou verdampen dan het water: nee dus…

Leuk artikel? Help me dan om het artikel te verspreiden door op een of meerdere van de social media knoppen hieronder te drukken.

Herken je deze situatie? Heb jij ervaring met destillatie? Vul je ervaringen hieronder in en laat anderen hiervan leren.

6 antwoorden
  1. Paul Kevenaar
    Paul Kevenaar zegt:

    Enrico, leuke uitleg. Jouw verhaal betreft slechts de 1e stap, alleen het vervluchtigen van de lichtste component. De verdampingswarmte van MeCl2 wordt onttrokken aan de bulk van het afvalwater (Daalt iets in temperatuur)
    Om bij destillatie de componenten verder te zuiveren is herhaaldelijke verdamping, condensatie, herverdamping en hercondensatie nodig. Hierbij is verdampingswarmte nodig en komt condensatiewarmte vrij. De warmtetoevoer voor de 1e verdamping heeft een hogere temperatuur dan de vrijkomende condensatiewarmte uit de laatste condensatietrap. Er loopt een warmtestroom met afnemende temperatuur door de destillatiekolom en dit is een degradatie van warmte. Daarnaast is intensief contact vereist tussen de omhoogstijgende dampstroom en de neergaande vloeistofstroom.
    Mijn ervaring uit het verleden (begin 80’er jaren) is, dat in de praktijk vaak een grotere (en koudere) refluxstroom ingesteld wordt dan strikt noodzakelijk is voor de vereiste zuiverheid. Dit leidt tot een nodeloze (en vermijdbare) energiedegradatie. Lees kosten.
    In de praktijk berekende ik bij mijn rondgang door de controlekamer ter plekke de actuele interne L/V-verhouding en vergeleek deze met de vereiste interne L/V-verhouding, en liet de operator de warmtetoevoer en de externe reflux verminderen.
    Zuiveren (scheiden, destilleren) betekent orde scheppen uit de chaos. De entropie van het mengsel verlagen naar zuiverder componenten. Volgens de 2e Hoofdwet kan dit alleen maar door degradatie van Energie. (Het kost moeite om iets te ordenen, vergelijk het met het opruimen van een zolder of schuur)
    De theoretisch vereiste energiedegradatie kan berekend worden uit de verschillen in vrije (Gibbs) energie tussen mengsel en gezuiverde componenten. Alles wat in de praktijk meer gebruikt (gedegradeerd) wordt is inefficiency!!

    Beantwoorden
    • Enrico Lammers
      Enrico Lammers zegt:

      Hoi Paul,

      Dank voor je aanvulling. De 2e hoofdwet, zucht…orde scheppen kost energie. Chaos is het woord dat we bedacht hebben voor een orde die we niet begrijpen – Henry Miller

      Beantwoorden
  2. Leo te Braake
    Leo te Braake zegt:

    Methylchloride is CH3Cl (Methylmonochloride)
    Als je MeCl2 gebruikt, bedoel je kennelijk CH2CL2 (Methyldichloride). Dat heet in de wandeling bij mijn weten Methyleenchoride (geen naslagwerken beschikbaar sinds pensionering).

    Beantwoorden

Plaats een Reactie

Meepraten?
Draag gerust bij!

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *