Tislaus

Tislaus on toisiinsa liuenneiden aineiden erottamiseksi käytetty menetelmä, joka perustuu seoksessa olevien aineiden eri haihtuvuuksiin. Tislaus on kemiantekniikassa yksikköoperaatio eli siinä ei tapahdu kemiallista reaktiota.
Tislaamalla saadaan erotetuksi toisiinsa liuenneet nestemäiset aineet sekä haihtumattomat aineet haihtuvista aineista. Tislauksen tuotetta kutsutaan tisleeksi ja haihtumatonta osaa pohjatuotteeksi tai jatkuvatoimisessa tislaimessa alitteeksi. Tislaus on monimutkaisempi versio haihduttamisesta, jossa haihtumattomat aineet erotetaan haihtuvista.
Tislaus on energiaa runsaasti kuluttava prosessi, mutta siitä huolimatta tislausta käytetään paljon teollisuudessa. Öljyteollisuudessa raakaöljy tislataan jakeiksi, joilla on kullakin omat ominaisuutensa ja käyttötarkoituksensa. Nesteytettyä ilmaa tislataan hapen, typen, argonin ja muiden kaasujen erottamiseksi. Kemianteollisuudessa aineita puhdistetaan käyttöön raaka-aineista sekä fermentointi- tai reaktioseoksista. Tislattuja alkoholijuomia valmistetaan tislaamalla fermentointiseoksesta.
Muita prosesseja.
Haihdutus on yksinkertaisempi prosessi, jossa rikastetaan haihtumattoman aineen ja haihtuvan aineen seosta. Tislauksella voidaan erottaa myös useita haihtuvia aineita toisistaan.
Kuivatislaus eli "pyrolyysi" ei nimestään huolimatta ole tislaus eikä yksikköoperaatio, vaan pelkistysreaktio, jossa kiinteää orgaanista ainetta kuumennetaan pelkistävässä atmosfäärissä ja siitä vapautuvat reaktiotuotteet otetaan talteen. Puun kaasutus, häkäpönttö, tervan poltto ja biodieselin valmistus käyttävät pyrolyysia. Ali-ilmamäärällä tai hapettomassa tilassa kuumennettu orgaaninen aine reagoi hiileksi ja vedyksi, joita voidaan saattaa esimerkiksi katalyytillä halutuiksi hiilivedyiksi. Tätä käytetään metanolin valmistuksessa, jossa höyryreformaatiota(SMR) voidaan hyödyntää hiilimonoksidin muodostamisessa.
Historia.
Tislaaminen tunnettiin ilmeisesti jo Babyloniassa vuotta ennen ajanlaskun alkua. Se lukeutuu kokeellisen luonnontieteen varhaisimpiin menetelmiin. Aristoteles (384–322 eaa.) mainitsee, että merivettä voi puhdistaa haihduttamalla. Plinius vanhempi (23–79 jaa.) kuvaa pihkan kuumentamiseen perustuvaa menetelmää, jossa haihtunut öljy kerätään tislauskattilan yläosaan asetettuun villaan. Tislauksen tunsivat myös Aleksandrian alkemistit ajanlaskumme ensimmäisillä vuosisadoilla.
Kiinassa tislattiin riisiolutta 800-luvulla eaa. Alkoholijuomien tislaamisen taito oli antiikin ja varhaiskeskiajan Länsi-Euroopassa laajalle levinnyt mutta melko harvoin käytetty taito. Rooman kirjallisuudessa tislattujen alkoholijuomien valmistus mainitaan noin vuodesta 100 jaa. alkaen. 700-luvulta alkaen arabit kehittivät tislausmenetelmiä edelleen. Tislatut alkoholijuomat valmistettiin aluksi viinistä ja simasta. Keskiajalla opittiin viinan valmistus tärkkelyspitoisista viljoista. Etelä-Italiassa opittiin 1000–1100-luvuilla tislaamaan viinistä niin väkevää alkoholia, että se paloi.
Teoria.
Tislaus perustuu aineiden eri haihtuvuuksiin. Eri aineilla on erilainen höyrynpaine eri lämpötiloissa. Koska kahden erilaisen aineen mooliosuudet ovat ideaalisesti samoja kuin niiden osapaineet samoissa lämpötiloissa, aineet voidaan erottaa fraktioimalla eli jakamalla ne höyrynpaineen mukaan. Tislauksessa seosta keitetään, jotta saataisiin aikaan mahdollisimman paljon haihtumista. Tislaus ei perustu aineiden eri kiehumispisteisiin, kuten yleensä luullaan. Aineseoksella on oma kiehumispisteensä, joka riippuu sen "koostumuksesta" enemmän kuin yksittäisten komponenttien kiehumispisteistä puhtaana. Aineseos kiehuu tässä lämpötilassa, mutta tuotetussa höyryssä haihtuvampi komponentti on rikastuneena. Panostislauksessa tämä havaitaan niin, että seoksen kiehumispiste nousee jatkuvasti, kun höyry vie mukanaan enemmän kevyempää komponenttia ja jättää nesteeseen enemmän raskaampaa komponenttia.
Kaikissa seoksissa haihtumisnopeudet eivät ole erilaisia eri aineille: näitä seoksia sanotaan atseotroopeiksi. Esimerkiksi 96 % etanoli-vesi-seos (väkiviina) on atseotrooppi, jota haihduttamalla saadaan 96-prosenttista etanolihöyryä, eikä rikastumista tapahdu. Molekulaarisella tasolla tämä käytös voidaan selittää sillä, että vahvasti poolisena liuottimena vesi sitoutuu vetysidoksilla ensinnäkin etanoliin, mutta myös koheesiona itseensä. Laimeissa etanoliliuoksissa vesi siis ajaa etanolin pois höyrynä, koska veden koheesio on vahvempi, mutta toisaalta vahvoissa liuoksissa etanoli taas imee vettä, koska etanolikin on jonkin verran poolinen liuotin.
Erittäin puhtaita aineita voidaan erottaa "monikomponenttitislauksella". Siinä tislataan samanaikaisesti kolmea tai useampaa eri nestettä, joiden atseotroopeilla on erilaiset höyrynpaineet. Näin voidaan esimerkiksi valmistaa vedetöntä (absoluuttista) etanolia. Absoluuttisen alkoholin valmistuksessa käytetään kolmantena komponenttina bentseeniä, joka syrjäyttää tislauksessa veden, ja vesi-bentseenihöyryseos kiehuu atseotrooppina. Näin saadaan yli 99 % etanolipitoisuuksia. Etanoliin jää kuitenkin tällöin muutama miljoonasosa bentseeniä, joka on myrkyllistä, joten tätä etanolia ei voi juoda tai käyttää muuhun kuin teknisiin tarkoituksiin.
Tislaus on aineensiirron yksikköoperaatio, ja siinä voidaan käyttää samoja fysiikan lakeja ja kaavoja kuin muissakin aineensiirron yksikköoperaatioissa, kuten uutossa. Tislauskolonni voidaan suunnitella samojen periaatteiden pohjalta kuin uuttokolonnikin.
Laitteisto.
Tislauslaitteiston peruskokoonpano on kiehutin, kolonni ja lauhdutin. Neste lämmitetään lämmittimessä höyryfaasiin, josta se nousee kolonniin, jossa tapahtuu erottuminen. Herkemmin haihtuva faasi nousee edelleen jäähdyttimeen, jossa se tiivistyy takaisin nesteeksi vaikeammin haihtuvan faasin vajotessa takaisin lämmittimeen. Kolonnin huipulta kerättävää fraktiota kutsutaan "tisleeksi" ja pohjalta kerättävää "alitteeksi". Mikäli laitteistossa ei ole kolonnia, kuten tislattaessa esimerkiksi viskiä tai konjakkia, laitteistoa kutsutaan "retortiksi". Pontikkapannu on yksinkertainen ja alkeellinen retortti.
Lämmitin voi olla joko kolonnin pohjalla oleva säiliö, jota lämmitetään, tai kantajafaasi voidaan johtaa erillisestä lämmittimestä suoraan kolonniin käyttöviivan mukaan määritetylle ideaalipohjalle.
Kolonneja on kahta päätyyppiä: pohja- ja täytekappalekolonnit. Pohjakolonnissa on tietty määrä seula- tai nousuputkipohjia, kun taas täytekappalekolonnissa on onton putken sisällä täytekappalekerros, jonka korkeus on määritelty niin, että lopputuotteesta saadaan haluttu konsentraatio. Laboratorioissa käytetään myös usein Vigreux-kolonnia, jossa lasisen kolonnin sisäpinnalla on ulokkeita niin, että kolonnin sisäpinta-ala kasvaa.
Jäähdytin on lämmönsiirrin, jonka tehtävänä on tiivistää tisle takaisin nesteeksi. Yleisimmin käytetty jäähdytin on Liebig-jäähdytin, joka koostuu kahdesta sisäkkäisestä putkesta, joiden välin muodostuvassa annuluksessa on vesivaippa. Sisemmästä putkesta sisään tuleva höyry jäähtyy ja tiivistyy nesteeksi.
Lopputuotteen tislaaminen haluttuun väkevyyteen tehdään ideaaliaskelina. Jokainen ideaaliaskel vastaa yhtä uudelleentislausta (arkikielessä ”kirkastamista”). Haluttuun väkevyyteen pääseminen voidaan määrittää Raoultin lain mukaisesta tasapainokäyrästä ja konsentraatioiden mukaan piirretystä kolonnin käyttöviivasta McCabe–Thiele-menetelmällä, tai se voidaan laskea konsentraatioiden sekä tasapainokäyrän päätepisteiden logaritmien kautta. Kun ideaaliaskelet jaetaan kolonnin kokonaishyötysuhteella, saadaan tarvittavien reaaliaskelten määrä. Näin voidaan määrittää kolonnissa tarvittavien pohjien lukumäärä tai integroida täytekappalekerroksen korkeus. Yleisimmin täytekappaleina käytetään Raschig-renkaita, Pall-renkaita, Berl-satuloita tai Intalox-satuloita. Muita yleisesti käytettyjä täytekappalemateriaaleja ovat ruostumattomasta teräksestä valmistetut mutterit tai jousialuslevyt, lasimurska, lasikuulat tai teräsvilla. Täytemateriaalilla on oltava suuri pinta-ala, mutta sen halutaan myös olevan suurimmaksi osaksi tyhjää, koska tisle virtaa siinä tyhjässä tilassa.
Piirroksessa on kuvattu yksinkertainen laboratorioissa käytettävä tislauslaitteisto. Siinä lämmin höyry nousee kolvissa ylöspäin ja joutuu jäähdyttimeen, jossa jäähtymisen vuoksi kaasumaisessa olomuodossa oleva aine tiivistyy takaisin nesteeksi.
Laboratoriossa liuottimien talteenottoon tislaamalla voidaan käyttää vakuumipyöröhaihdutinta. Siinä viistossa kulmassa oleva haihdutuskolvi on laakeroitu niin, että se pääsee pyörimään vapaasti akselinsa ympäri. Laitteisto pyörittää kolvia, jolloin tislattava neste tarttuu kolvin sisäpinnalle kalvoksi, jolla on suuri haihtumispinta-ala. Laitteistoon synnytetään alipaine, jolloin nesteen kiehumispiste laskee ja höyrystyminen tapahtuu alhaisemmassa lämpötilassa. Höyry johdetaan jäähdyttimeen, jossa se lauhtuu nesteeksi ja valuu keruukolviin.