Värdefulla naturliga ämnen uppträder ofta som blandningar som innehåller både önskvärda och oönskade komponenter. Till exempel innehåller råolja olika typer av kolväten som är lämpliga för olika bränsletillämpningar, havsvatten har hög salthalt och järnmalm innehåller minerala föroreningar förutom användbar järn. Under århundradena har människor utvecklat många sätt att raffinera eller rena naturmaterial. Enkel destillation och fraktionerad destillation är två variationer på en grundläggande teknik för att separera olika komponenter i en vätska.

Ångor och avdunstning

Förhållandet mellan temperatur och evaporation är avgörande för att förstå både enkel och fraktionerad destillation . När en vätska är i en öppen behållare utövar atmosfären ett nedåtriktat tryck på vätskans yta. Detta atmosfärstryck motverkar vätskans ångtryck, vilket skapas av den kinetiska energin hos molekyler som avdunstar från vätskans yta. När vätskans temperatur ökar ökar också den medelmolekylära kinetiska energin; fler molekyler avdunstar, vilket leder till högre ångtryck. Kokning sker när molekylerna kan avdunsta fritt för att vätskan har nått en temperatur där ångtrycket är lika med atmosfärstrycket.

Enkel separation

Olika föreningar har olika koktemperaturer. På samma sätt, vid vilken temperatur som helst, kommer olika föreningar att ha olika ångtryck. Om en flytande blandning av olika föreningar upphettas i en sluten behållare kommer sammansättningen av den ånga som fångats ovanför vätskan att återspegla dessa skillnader. Ångan innehåller mer molekyler av föreningar med högre ångtryck och färre molekyler av föreningar med lägre ångtryck. En förening med en mycket hög koktemperatur relativt de andra föreningarna i blandningen kommer att vara nästan frånvarande från ångan och icke-flyktiga upplösta fastämnen, såsom salt, kommer att förbli som sediment i den upphettade behållaren. Enkel destillation är processen att samla denna ånga och kyla den så att den kondenserar tillbaka till en vätska. Enkel destillation separerar komponenterna i en flytande blandning eftersom den kondenserade vätskan innehåller en högre andel föreningar med högre ångtryck och den ursprungliga vätskan innehåller en högre andel föreningar med lägre ångtryck.

Destillationsdilemma

En enkel destillation förändrar andelen föreningar i de två slutliga vätskorna, men det uppnår inte fullständig separation. Processen kan upprepas för att uppnå gradvis högre separationsgrader, men detta är också slöseri med att vissa molekyler under varje destillationsförfarande släpper in i atmosfären och vissa kvarstår som rester i destillationsutrustningen. Fraktionell destillation behandlar detta dilemma - förbättras på enkel destillation genom att uppnå högre grader av separation i endast ett destillationsförfarande.

En kolonn, flera förångningar

Den primära skillnaden mellan fraktionerad destillation och enkel destillation är tillsatsen av en fraktioneringskolonn mellan den upphettade behållaren och den plats där ångan kondenserar. Denna kolonn är fylld med material, som tunna metalltrådar eller glaspärlor, som uppmuntrar kondens, eftersom de har en hög yta. När ångorna stiger genom fraktioneringskolonnen kondenseras de till vätska på de kallare ytorna av dessa material. Heta ångor som stiger underifrån gör att vätskan avdunstar, då kondenserar den igen, sedan indunstas den igen och så vidare. Varje avdunstning resulterar i ånga med en högre andel molekyler med högre ångtryck. Sålunda uppnår fraktionerad destillation överlägsen separation med mindre materialförlust, eftersom ett förfarande är ekvivalent med flera rundor med enkel destillation.