Trennleistung der Destillation in der Labor-Praxis

Ob Filtrieren, Trocknen, Destillieren: Hier werden alle Vorgehensweisen erklärt.

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Cumarinderivat
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Beitrag von Cumarinderivat »

Also wir haben glaub mal in der AUbildung gelernt, dass man bei Siedepunktdifferenzen <15 °C eine Kolonne verwenden sollte. Diese Aussage bezweifle ich nach diesem Test jeztzt doch ein wenig ... :?
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

lemmi hat geschrieben:Die Theorie der Destillation hat mich schon immer verwirrt und v.a. habe ich nie kapiert, was für einen Sinn eine Kolonne hat, wenn es keinen Temperaturgradienten längs derselben gibt. Das hatte ich anderswo schon mal gesagt, dann hat mir jemand erklärt warum man Kolonnen isolieren muss - und ich hab's nicht verstanden.
Jein :)

Also der Temperaturgradient stellt sich natürlich schon ein, aber der soll sich idealerweise nur als Gleichgewicht innerhalb des sonst geschlossenen Systems einstellen und nicht durch eine äußere Störung.
Die maximale Trennleistung die eine Kolonne gegebener Bauart hergibt würdest du erzielen, wenn du einfach oben einen Rückflusskühler draufpackst und die Kolonne sonst nach außen perfekt isolierst. Das wäre unendliches Rücklaufverhältnis und dann hast du oben am Ende der Kolonne die größte erreichbare Anreicherung. Jeder weitere Eingriff - sei es durch Hinzufügen oder Entziehen von Wärme oder Destillat - stört das Gleichgewicht und verschlechtert damit die Trennwirkung. Blöderweise hätte man von so einer Konstruktion praktisch sehr wenig außer dass man Wärme transportiert. Also muss man sich etwas einfallen lassen um dazwischen ein bisschen etwas herausziehen zu können - und das ist der berühmte Rückflussteiler.
Und nun zeigen deine Versuche dass eine nicht-isolierte Kolonnen besser trennt. Ich fühle mich in meinem Bauchgefühl bestätigt. Aber gilt das jetzt nur für so eng beieinanderliegende Siedepunkte?
dass die nicht isolierte Kolonne in meinem Fall besser trennt liegt in dem speziellen Fall lediglich daran, dass die isolierte (2) fast von gar keinem Rückfluss durchströmt war - also sich ein extrem niedriges Rücklaufverhältnis eingestellt hat. Ein so niedriges Rücklaufverhältnis ist in dem Fall dann unterm Strich die größere Störung als Wämeverluste durch keine Isolation, aber sicher nicht besser als wenn man das System "richtig" betreibt wie eben beschrieben. Die Vigreux kann grundsätzlich sogar noch etwas mehr als das alle meine Versuche ergeben haben. Da ich eben keinen Kopf mit Kühler+Teiler benutzt habe bin ich relativ unkontrollierbar dem ausgeliefert, was sich durch die Stoff- und Wärmeströme "von selbst" einstellt. Und das gilt grundsätzlich für jeden Temperaturbereich/Siedepunktsdifferenz.

was ich mir wünschen würde wäre eine Sammlung von drei oder vier Faustregeln im Stile von:

1. willst du ein Gemisch mit hohen, weit auseinanderliegenden Siedepunkten trennen benutze A
2. willst du ein Gemisch mit hohen, eng beienanderliegenden Siedepunkten trennen benutze B
3. willst du ein Gemisch mit niedrigen, weit auseinaderliegenden Siedepunkten trennen benutze C
4. willst du ein Gemisch mit niedrigen, eng beienanderliegenden Siedepunkten trennen benutze D

die Grenze "niedrig vs. hoch" würde ich mal bei ungefähr 100 °C ansetzen. Nach deinen Versuchen wäre D = nicht isolierte Kolonne mit Raschigringen
puh... aus dem Fenster lehnen nennt man das :)
Ganz einfache Antworten / grundlegende Faustregeln wird es nie geben weil es dazu zu viele Faktoren gibt. naheliegend zB: für welche Ausgangskonzentation? Für welche Ziel-Konzentration? Für welchen Verlauf der Siedekurve?
Empfehlen kann ich nur dass man versucht tatsächlch die Siedekurve aufzutreiben, zu wissen von welchem Startwert man kommt und wo man hin möchte (muss?) und die Treppchen einzuzeichnen. Dann würde ich sagen:

1) eine einfache Destillation erreicht 1-1,5 Trennstufen
2) eine Vigreux oder Raschig Kolonne von 30 cm ohne Kopf mit Teiler erreicht 3-5 Trennstufen wobei bei niedrigen Siedepunkten (<100 °C) besser keine Isolation, bei hohen mit einer leichten Isolation zu arbeiten ist. Worauf es am meisten ankommt sind die Tröpfchen - wenn man mit Heizung/Isolierung spielt und es schafft dass zB 2-4 Tropfen pro sec zurück in die Vorlage fallen wärend nur alle 1-3 Sec einer "ins Töpfchen" geht, dann ist man in einem brauchbaren Arbeitsbereich. Bei hoher Siedetemperatur wird das ohne Isolierung schwer weil du über die große Temperaturdifferenz zur Umgebung zu viel Wärme abführst und die muss vom Dampf geliefert werden. Folglich wirst du entweder oben nichts herasubekommen oder es tropft unten schon deutlich mehr als nur die 2-4 pro Sec in die Vorlage und du überlastest das System.
3) eine Vigreux oder Raschig Kolonne mit Kopf mit Teiler erfordert jedenfalls weniger Gefrickel mit Heizen/Isolieren weil du mal ganz sicher alles in den Kühler schickst und dann gezielt entscheidest wieiel du ziehen möchtest und wieviel zurück geht. Trennstufen wird sie (wenn man den Litersturangaben für HETP traut) nicht substanziell mehr schaffen (vielleicht 6 oder 8 ), aber das kannst du wenigstens recht gezielt und reproduzierbar einstellen.

Jetzt gilt es zu prüfen ob mit diesen Parametern dein Trennproblem bewältigbar ist, wenn ja - go for it, wenn nein - kompliziertere (so Maschengitter-Zylinder sollen das wirksamste sein) und/oder längere (HETP... doppelte Länge doppelte Wirkung...) Kolonnen benutzen.

sollte ich deinen Raster befüllen müssen würde ich sagen:
1. willst du ein Gemisch mit hohen (>100°), weit auseinanderliegenden Siedepunkten (>100°C) trennen benutze Einfache Destillation (wenn 95% Reinheit genügt kann "weit auseinanderliegenden" bis 50° reuziert werden)
2. willst du ein Gemisch mit hohen (>100°), eng beieinanderliegenden Siedepunkten (30-50°C) trennen benutze eine isolierte Vigreux oder Raschig Kolonne
3. willst du ein Gemisch mit niedrigen (<100°), weit auseinaderliegenden Siedepunkten (>100°C) trennen benutze Einfache Destillation (wenn 95% Reinheit genügt kann "weit auseinanderliegenden" bis 50° reuziert werden)
4. willst du ein Gemisch mit niedrigen (<100°), eng beienanderliegenden Siedepunkten (30-50°C) trennen benutze benutze eine nicht isolierte Vigreux oder Raschig Kolonne
5. wenn du einen Rücklaufteiler hast dann benutze ihn, das spart Gefrickel nach Gefühl. Eine Raschig Kolonne kann dann vielleicht auch noch merklich mehr.
Spielt der "Kopf-Aufbau" jetzt eigentlich eine Rolle? Man könnte an die kolonne doch uch direkt einen schräg absteigenden Kühler anschließen. Oder macht das einen Unterschied?
hm, bin jetzt nicht sicher wie du das meinst? ich hatte den Kühler bei (2) und (4) recht direkt dran und schräg nach unten, das zweite 75° Stück war nur der Geometrie geschuldet damit ich nicht in luftigen Höhen Destillat sammeln muss. Da aber bereits der erste Ansatz wo auch das Thermometer dran ist nach unten zeigt ist jedes Dampfmolekül das sich mal bis zu dieser Abzweigung verirrt hat dazu verdammt irgendwann den Kühler hinunter zu schwimmen...

"Kopf" würde ich das ganze Konstrukt nicht nennen wollen, die Bezeichnung verdient das fast nicht.
Achja: die Nummerierung der Versuche beginnt bei "1." und dann kommt viermal "2." :wink:
schon wieder beim selbst kopieren erwischt ;) aber perfekt wie der peer review prozess hier funktioniert! :yeah:
Xyrofl
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Beitrag von Xyrofl »

Also wir haben glaub mal in der AUbildung gelernt, dass man bei Siedepunktdifferenzen <15 °C eine Kolonne verwenden sollte. Diese Aussage bezweifle ich nach diesem Test jeztzt doch ein wenig ...
Ab einer Siedepunktsdifferenz von <15°C braucht man langsam high level Kolonnen, also gut isoliert mit Vakuummantel und Verspiegelung oder Heizmantel, lang und mit feinen Füllkörpern, sowie einen Rücklaufteiler. Normale Laborkolonnen soll man laut Lehrbuch für fast alle Trennprobleme bis 15°C Siedepunktsdifferenz hinab verwenden. Einfache Destillation trennt laut Organikum nur bis zu einer Siedepunktsdifferenz von 50-70°C praktisch vollständig in einem Durchgang.
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

Cumarinderivat hat geschrieben:Also wir haben glaub mal in der AUbildung gelernt, dass man bei Siedepunktdifferenzen <15 °C eine Kolonne verwenden sollte. Diese Aussage bezweifle ich nach diesem Test jeztzt doch ein wenig ... :?
wieso, stimmt doch? :mrgreen:
nur der Umkehrschluss dass man schon ab >15° keine braucht ist eher nicht zulässig. Und das auch wieder sehr in Abhängigkeit der Reinheitsanforderung.
CD-ROM-LAUFWERK
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Beitrag von CD-ROM-LAUFWERK »

nie kapiert, was für einen Sinn eine Kolonne hat, wenn es keinen Temperaturgradienten längs derselben gibt.
Auf dem Weg durch die Kolonne trennt sich das Gemisch. Da die Temperatur aller mit Dampf in Kontakt stehenden Oberfläche durch den Taupunkt/Siedepunkt dieses Dampfes bestimmt wird, ändert sich entsprechend mit der Zusammensetzung auch die Temperatur entlang der Kolonne.
dann hat mir jemand erklärt warum man Kolonnen isolieren muss - und ich hab's nicht verstanden.
Aus dem gleichen Grund, weshalb man in der Industrie nicht mit kaltem Feedstrom* in die Kolonne fährt: Die Kolonne ist dann eine ziemlich teure Heizung. Heizen kann man mit einer Heizung deutlich günstiger.
*Feed = das zu trennende Gemisch, was man in die Kolonne schickt.
Und nun zeigen deine Versuche dass eine nicht-isolierte Kolonnen besser trennt.
Weil er keinen Rücklaufteiler verwendet hat. Wenn man eine Kolonne so beheizt, das nichts in ihr kondensiert, ist sie für die Stofftrennung wie nicht vorhanden. Je mehr Rücklaufverhältnis man hat, desto besser die Trennleistung. Da er das eben nicht hatte, hat das Kondensat wie ein Rücklauf funktioniert. Da das aber nicht auf der ganzen Länge wirkt, sondern insbesondere ganz unten, ist der Effekt geringer als mit dem selben Rückfluss von oben rückgeführt.
Xyrofl
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Beitrag von Xyrofl »

nie kapiert, was für einen Sinn eine Kolonne hat, wenn es keinen Temperaturgradienten längs derselben gibt.
Da liegt ja auch der Hase im Pfeffer. Wo ist denn die Temperaturdifferenz zur Außenwelt groß? Natürlich unten, wo noch am meisten Schwersieder enthalten ist. Da wird sie also auch die meiste Wärme verlieren. Oben schon allein dadurch nicht, dass sie senkrecht steht und durch Konvektion immer die kalte Luft von unten nachströmt.
Aber du willst, dass sie unten heiß und oben kalt ist. Also ist die freie Abkühlung dem Temperaturgradienten nicht dienlich. Außerdem, das Kondensat, das weit unten schon kondensiert, das kann nur unten die Kolonne kühlen, also kriegt sie wieder unten am meisten Kühlung ab, denn alles was oben kondensiert läuft durch die ganze Kolonne und kühlt durch Verdunstungskälte auch unten, aber was unten kondensiert, kühlt nur unten.

Adiabat wird der Gradient also viel stärker als wenn der Mantel frei liegt, zumindest unter der Prämisse, dass die Belastung der Kolonne optimal ist. Das ist übrigens ohne Isolation auch wieder ein Problem. Kolonnen trennen bei niedriger Belastung besser als bei hoher Belastung, wenn unten die ganze Musik spielt, dann ist sie unten überlastet ohne dass oben nennenswert was ankommt. Bei langen Kolonnen ist die adiabate Fahrweise also zwingend, bei kurzen dagegen kann man viel weniger falsch machen. Generell sind Kolonnen mit vielen theoretischen Böden extrem anspruchsvoll zu bedienen und gerade Vigreuxkolonnen oder Hempelkolonnen mit groben Raschigringen tolerieren vieles.
CD-ROM-LAUFWERK
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Beitrag von CD-ROM-LAUFWERK »

Wie viel wurde denn plötzlich geschrieben, während ich in ChemCAD ein paar Zahlen durchsimuliert habe? Man die Zeit rennt... zack hat man 2h rumgespielt.
Ich habe mal was geplottet: Eine kontinuierliche(!) Kolonne, in die die Mischung des TO gefahren wird (jeweils 50gew% MeOH und i-PrOH).
Variiert wurde das Rücklaufverhältnis von 1,1 bis 100, wobei die Reinheit am Ausgang jeweils 90% sein soll und die dafür benötigte Trennstufenzahl berechnet wurde. Man sieht schön den Widerspruch von Investitionskosten (Bodenzahl / Höhe der Kolonne) zu Betriebskosten (Rücklaufverhältnis). Wenn ich mal mehr Zeit habe, kann ich das auch für batch machen / mich da reinfinden. Jetzt erst mal Prüfungen...
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Glaskocher
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Beitrag von Glaskocher »

mgritsch hat geschrieben:"Kopf" würde ich das ganze Konstrukt nicht nennen wollen, die Bezeichnung verdient das fast nicht.
Kolonnenkopf ist der offizielle Begriff für den Rücklauf- oder Dampfteiler, zugehörige(n) Kühler und die mögliche Vakuumversorgung. Solche Teile sind beliebte Meisterstücke für Glasapparatebauer. Allerdings mußte ich auch schon ein solches handwerklich perfektes Gerät auf einer Fachmese als "nicht funktionsfähig" outen.

Der Kolonnenkopf wird für die Steuerung des Rücklaufes benötigt. Er beeinflusst somit direkt die Wirksamkeit der Kolonne.
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

Glaskocher hat geschrieben:Kolonnenkopf ist der offizielle Begriff für den Rücklauf- oder Dampfteiler, zugehörige(n) Kühler und die mögliche Vakuumversorgung. Solche Teile sind beliebte Meisterstücke für Glasapparatebauer. Allerdings mußte ich auch schon ein solches handwerklich perfektes Gerät auf einer Fachmese als "nicht funktionsfähig" outen.
das ist ja auch nochmal so eine Sache... "Meisterstücke" gibt's da einige, mir ist dabei nicht immer klar wie sowas gedacht ist.

Der "Prototyp" schlechthin für mich wäre sowas:
https://www.neubert-glas.de/laborglas/o ... ehler.html
Die Funktionsweise ist mir klar, in Summe ist das ein Anschütz-Thiele der um einen Kühler und ein Ventil zur Rücklaufteilung erweitert ist.
Das Ding hätte ich wirklich gerne, aber mehr als 700 EUR?! Dafuq!? Ich wollte nur eine Glas-Ausführung, nicht die Variante aus Gold...

auch das hier ist mir klar:
https://www.neubert-glas.de/laborglas/o ... 121f6e2dce
Selbes in Grün nur ohne den ganzen Vakuumteil. Könnte ich auch mit leben, muss ja nicht immer mit Vakuum sein. Die Größenordnung ist mit 270 aber immer noch ziemlich happig für etwas das eigentlich simpel ist.
Die Variante ohne Hahn kann man sich IMHO fast sparen, damit kann ich kein Verhältnis frei wählen, dann gleich wild. Für im Prinzip einen umgedrehten Claisen-Adapter 190 EUR!?
Du bist denke ich vom Fach, findest du solche Preise angemessen?

Das hier: https://www.ebay.at/itm/Kolonnenkopf-na ... Sw43hZ-Kqv
ist wohl eine Vakuum-Variante aber auch ohne einstellbares Rücklauf-verhältnis, dafür mit zusätzlichem Produktkühler. Produktkühler ist ja vielleicht nicht so eine üble Idee wenn man im Vakuum arbeitet...

Das hier:
https://www.ebay.at/itm/Destillieraufsa ... SwuK1a-aWe
gibt's füpr 35 EUR, kann man schon mal gerne ausgeben. Ist zwar super simpel aber tut den Job - mit dem Glashahn kann ich den entnommenen Produktstrom ja dosieren. Mit Glück sieht man auch wieviel aus dem 29er Schliff zurück in die Kolonne tropft, also ist das Rücklaufverhältnis sogar einigermaßen definierbar. Was mich an der Konstruktion (abgesehen von der recht willkürlichen Verteilung der NS Größen) stört ist lediglich das unverhältnismäßig große Totvolumen das sich oberhalb des Hahns bildet. Das sollte doch für ein sauberes Arbeiten möglichst klein sein, oder?

Als Chinaware gibt's oft die Dinger: https://i.ebayimg.com/images/g/LJQAAOSw ... s-l500.jpg
Ich vermute der Teflonhahn ermöglicht nur ein entweder-oder aber kein laufendes Teilen, somit zwar als Reservoir nutzbar aber nicht als Teiler. Und die Dampfstromführung links vorbei bräuchte wohl einiges an Isolierung.

Das hier gefällt mir sehr gut: https://i.ebayimg.com/images/g/HDMAAOSw ... -l1600.jpg
wäre sogar Vakuumtauglich, fraglch wäre höchstens ob die Kühl-Leistung des Fingerkühlers wirklich ausreicht. Schade nur dass auf der Produktseite kein Schliff ist, also Entnahme dann iin luftiger Höhe mit untergestelltem Auffanggefäß... Hätte auch den richtigen Schliff und ist in einer vernünftigen Preisregion, trotz hoher Versandkosten.
Würdest du das empfehlen?

Das verstehe ich nicht: https://i.ebayimg.com/images/g/SLAAAOSw ... -l1600.jpg
dafuq?
auch das sieht sehr kunstvoll aus: https://i.ebayimg.com/images/g/n4wAAOSw ... -l1600.jpg
aber in der Funktion ist es wohl auch nur ein nciht regelbarer Teiler (mit Vakuumanschluss), Der Zweck des Kugelschliffs erschließt sich mir nicht.
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Cumarinderivat
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Beitrag von Cumarinderivat »

Könnte man sich nicht sowas in der Art selbst bauen? Mit so einem Ventil als Rücklaufteiler:
http://www.medchrom.de/laborbedarf/labo ... ttberg.jpg (Nr. 4, sowas hab ich sogar noch irgendwo rumliegen, glaube ich.)

Und so einem Aufsatz oder etwas in der Art:
https://www.neubert-glas.de/laborglas/o ... h-oben.gif
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

bin noch nicht sicher wie du die beiden da genau arrangieren/verbinden würdest? skizze?
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Cumarinderivat
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Beitrag von Cumarinderivat »

Für eine Skizze fehlt mir gerade die Zeit, aber ich versuch's mal kurz zu erklären. Ich hätte gedacht, den Winkel mit Hahn mit einem Stopfen oder Thermometeradapter auf die Kolonne zu setzen. Das andere Ende steht dann ja rechtwinklig ab und man kann dort mit einem gleichartigen Adapter oder Stopfen den schrägen Hals des Destillationsaufsatzes ansetzen Dann hat man einen nach oben geneigten Hülsenschliff und einen nach unten geneigten (ca. 45 °) Kernschliff. Oben kommt ein Stopfen drauf (oder ein Thermometer, das ist dann halt etwas schräg) und an den unteren Ansatz ein Kühler, z.B. ein Liebigkühler.
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Beitrag von mgritsch »

Ich hab versucht deine Worte in ChemSketch mal abzubilden, dann kommt dabei sowas raus:

Bild

das macht irgendwie noch keinen Sinn für mich... irgendwas hab ich wohl falsch verstanden :)
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Cumarinderivat
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Beitrag von Cumarinderivat »

Genau das hab ich gemeint :D.
Warum macht das keinen Sinn?
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Phil
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Beitrag von Phil »

Du musst das Rücklaufverhältnis einstellen können sonst macht alles keinen sinn.
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