Simulation: Destillation eines Ethanol-Wasser-Gemisches

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Destillation

Die Destillation ist ein Trennverfahren, zum Beispiel für Gemische aus Flüssigkeiten, die sich miteinander mischen, wie Ethanol und Wasser. Das Gemisch wird zum Sieden erhitzt, der Dampf wird in einem Kühler wieder flüssig und in einem zweiten Gefäß aufgefangen. Die Trennung beruht auf den unterschiedlichen Siedetemperaturen der Stoffe.

Siedetemperatur als Kenneigenschaft

• Jeder Reinstoff hat bei gleichem Druck eine feste Siedetemperatur: Wasser siedet bei 1013 hPa bei 100 °C, Ethanol bei 78 °C. Wie Schmelztemperatur, Dichte und Löslichkeit ist die Siedetemperatur eine Kenneigenschaft. An seinen Kenneigenschaften lässt sich ein Reinstoff erkennen.
• Beim Sieden eines Reinstoffs bleibt die Temperatur gleich, bis er ganz verdampft ist. Die Temperaturkurve zeigt einen Haltepunkt.
• Ein Gemisch wie Wein hat keine feste Siedetemperatur. Es siedet in einem Siedebereich: Die Temperatur steigt während des Siedens an. Wo der Bereich liegt, hängt von der Zusammensetzung ab.
• Weil sich Reinstoffe in ihren Kenneigenschaften unterscheiden, lassen sich Gemische trennen: nach der Siedetemperatur durch Destillation, nach der Dichte durch Absetzenlassen und Abgießen, nach der Löslichkeit durch Extraktion.

Aufbau

• Rundkolben mit dem Gemisch und einigen Siedesteinchen. An ihnen bilden sich die Dampfblasen gleichmäßig; sie verhindern, dass das Gemisch plötzlich heftig aufsiedet (Siedeverzug).
• Heizpilz: Er erhitzt den Kolben ohne offene Flamme. Das ist wichtig, weil Ethanol leicht entzündbar ist.
• Destillationsaufsatz mit Thermometer. Die Kugel des Thermometers sitzt auf Höhe des seitlichen Abzweigs. Dort misst sie die Temperatur des Dampfs, der in den Kühler strömt. Solange das Gemisch noch nicht siedet, erreicht kein heißer Dampf die Kugel, und das Thermometer bleibt fast kalt. Die Temperatur der Flüssigkeit zeigt die Simulation deshalb zusätzlich unter „Temperatur im Kolben“ an.
• Rücklauf: Beim Siedebeginn sind Aufsatz und Thermometer noch kalt. Der Dampf kondensiert dort und gibt dabei Wärme ab; das Kondensat fließt in den Kolben zurück. Erst wenn Glas und Thermometer die Temperatur des Dampfs erreicht haben, gelangt Dampf in den Kühler. Deshalb zeigt das Thermometer die Siedetemperatur an, sobald Destillat abtropft.
• Liebigkühler: Im Innenrohr strömt der Dampf, im Mantel darum herum kaltes Wasser. Das Kühlwasser fließt unten hinein und oben hinaus, also dem Dampf entgegen. So ist der Mantel immer ganz mit Wasser gefüllt und kühlt gut.
• Vorstoß mit einer kleinen Öffnung. Durch sie kann Luft entweichen, damit sich in der Apparatur kein Überdruck aufbaut.
• Vorlage: Das Gefäß, in dem das Destillat aufgefangen wird. Was im Kolben zurückbleibt, ist der Rückstand.

Was bei der Destillation von Wein geschieht

• Alle Prozentangaben in der Simulation sind Volumenanteile, wie auf dem Weinetikett (% vol).
• Beim Sieden verdampfen Wasser und Ethanol gleichzeitig. Weil Ethanol die niedrigere Siedetemperatur hat, ist sein Anteil im Dampf größer als in der siedenden Flüssigkeit. Das Destillat enthält deshalb deutlich mehr Ethanol als der Wein.
• Weil der Dampf anteilig mehr Ethanol enthält als die Flüssigkeit, sinkt im Kolben der Ethanolanteil. Die Siedetemperatur des Gemisches steigt an, und das Destillat enthält nach und nach weniger Ethanol.
• Wechselt man die Vorlage, fängt man das Destillat in mehreren Portionen auf, den Fraktionen. Die ersten Fraktionen enthalten am meisten Ethanol.
• Mit einer einfachen Destillation lassen sich Ethanol und Wasser nicht vollständig trennen. Destilliert man das Destillat erneut, steigt der Ethanolanteil weiter. Bei normalem Luftdruck kommt man durch Destillation aber nicht über etwa 96 % Ethanol hinaus: Dieses Gemisch siedet bei 78 °C wie ein Reinstoff.
• Ohne Kühlwasser kondensiert nur wenig Dampf. Der Rest entweicht an der Öffnung des Vorstoßes. Bei Ethanol ist das gefährlich, weil der Dampf entzündbar ist.
• Der Kolben darf nie leer werden: Ohne Flüssigkeit wird das Glas sehr heiß und kann springen. Die Simulation schaltet die Heizung deshalb ab, wenn nur noch wenig Flüssigkeit im Kolben ist.

Destillation und Abdampfen

Beim Abdampfen wird zum Beispiel Salzwasser in einer offenen Schale erhitzt, bis das Wasser verdampft ist. Das gasförmige Wasser entweicht, das Salz bleibt zurück. Bei der Destillation dagegen wird der Dampf gekühlt und als Destillat aufgefangen.