Damıtma

Damıtma, sıvı karışımların bileşenlerini kaynama noktaları veya uçuculuk farklarından yararlanarak saflaştırmak veya ayırmak için kullanılan fiziksel bir ayırma işlemidir; bu işlem, daha uçucu bileşenlerin buharlaşmasını ve ardından bunların daha saf bir sıvı formuna yoğunlaşmasını içerir.⁽¹⁾⁽²⁾ Bu teknik, daha düşük kaynama noktasına sahip bileşenlerin daha düşük sıcaklıklarda buharlaşması ilkesine dayanır; bu sayede karışım ısıtıldığında buharlar soğutulup kalıntıdan ayrı olarak toplanarak seçici bir ayrıştırma sağlanır.⁽³⁾⁽⁴⁾

MÖ 3500 civarında antik Mezopotamya’da ortaya çıkan ve İskenderiye, İslam ve Avrupa yenilikleriyle ilerleyen damıtma, kimya mühendisliğinin temel taşlarından biri haline gelmiştir. Bileşiklerin saflaştırılması için laboratuvarlarda; petrol rafinasyonu, içecek üretimi, su tuzunun giderilmesi ve hava ayrıştırma gibi süreçler için ise endüstriyel alanda yaygın olarak kullanılmaktadır.^(4)(5)(6)

Temel İlkeler

Tanım ve Prensipler

Damıtma, bir sıvı karışımındaki bileşenleri kaynama noktalarına göre izole etmek için bileşenlerin uçuculuk farklarından yararlanan fiziksel bir ayırma yöntemidir.⁽⁷⁾ Bu süreçte karışım, daha uçucu (daha düşük kaynama noktalı) bileşenlerce zenginleşmiş bir buhar üretmek üzere ısıtılır; bu buhar daha sonra sıvı fazda kalan daha az uçucu bileşenlerden ayrılabilir.⁽⁶⁾

Damıtmanın temelini oluşturan çekirdek ilke buhar-sıvı dengesidir; buna göre kaynama sırasında buhar fazı, sıvı fazına kıyasla daha uçucu bileşenlerce zenginleşir.⁽⁸⁾ Bu zenginleşme, daha yüksek buhar basıncına sahip bileşenlerin tercihen buharlaşması ve fazlar arasında ayrışmayı sağlayan bir bileşim farkı oluşturması nedeniyle gerçekleşir.⁽⁹⁾ Temel adımlar; buharlaşmayı sağlamak için karışımın ısıtılmasını, buharın toplanmasını ve saflaştırılmış bir fraksiyon elde etmek için yoğunlaştırılmasını içerir; bu işlem daha yüksek ayrıştırma verimliliği için genellikle tekrarlanır.⁽⁸⁾

İdeal karışımlar için davranış, buhardaki $i$ bileşeninin kısmi basıncı $P_i$’nin şu şekilde verildiğini belirten Raoult Yasası ile yönetilir:

$$P_i = x_i P_i^\circ$$

Burada $x_i$ sıvıdaki mol kesri, $P_i^\circ$ ise o sıcaklıktaki saf bileşenin buhar basıncıdır.⁽¹⁰⁾ Bu yasa, bileşenler arasında ideal karışımın ötesinde bir etkileşim olmadığını varsayar. Ayrılabilirliğin temel ölçüsü, buhar mol kesirlerini ifade eden $y$ ile tanımlanan bağıl uçuculuktur ($\alpha$):

$$\alpha = \frac{y_A / x_A}{y_B / x_B}$$

Daha yüksek $\alpha$ değerleri, A ve B bileşenlerinin ayrılmasının daha kolay olduğunu gösterir.⁽¹¹⁾ “Distilasyon” (Damıtma) terimi, Latince destillare (“aşağı damlamak” veya “sızmak”) kelimesinden türemiştir ve bir yoğunlaştırıcıdan damlayan sıvı sürecini yansıtır.⁽¹²⁾

Termodinamik Temel

Damıtma, dengedeki bir karışımda bileşenlerin sıvı ve buhar fazları arasındaki dağılımını tanımlayan buhar-sıvı dengesi (VLE) ilkelerine dayanır. İkili karışımlar için VLE, sabit basınçta sıcaklığın (T) bir bileşenin sıvı mol kesri (x) ve buhar mol kesrine (y) karşı grafiğe döküldüğü T-x-y diyagramları kullanılarak grafiksel olarak gösterilir. Bu diyagramlar, sıvı ısıtıldığında ilk buharın oluştuğu sıcaklığı gösteren bir kabarcıklanma noktası (bubble point) eğrisi ve buhar soğutulduğunda ilk sıvının yoğunlaştığı sıcaklığı gösteren bir çiğlenme noktası (dew point) eğrisi içerir; bu eğriler arasındaki bölge, damıtmada ayrıştırma olasılığını anlamak için gerekli olan iki fazlı birlikte varoluşu temsil eder.^(13)(14)

Bu tür dengeler üzerindeki termodinamik kısıtlamalar, bir sistemde mevcut olan serbestlik derecesini (F) nicelendiren Gibbs faz kuralı ile yönetilir:

$$F = C – P + 2$$

Burada C bileşen sayısını, P ise faz sayısını ifade eder. VLE’deki (P = 2) ikili bir damıtma sisteminde (C = 2), F = 2’dir; bu, durumun tanımlanması için sıcaklık ve basıncın (veya bir bileşimin) bağımsız olarak belirlenebileceği, her iki fazdaki bileşimlerin ise birbirine bağımlı olduğu anlamına gelir; bu kural, denge koşullarının kesin olarak belirlenmesini sağlayarak ayrıştırma sırasındaki faz davranışı değişkenliğini sınırlar.^(15)(16)

Damıtmada enerji gereksinimleri, bir sıvıyı buhara dönüştürmek için gereken ve faz değişimi ile aşamalar arasındaki kütle transferini sağlayan gizli ısı olan buharlaşma entalpisinden kaynaklanır. Isı dengeleri, kaynama (reboiler’da) ve yoğunlaşma (kondenserde) sırasındaki bu gizli ısıyı hesaba katar; burada enerji girdisi, sıvı ve buhar fazları arasındaki entalpi farkını aşmalıdır. Örneğin, sıcaklık değişimleri için gereken duyulur ısı, sürecin genel enerji talebi ve verimliliğinde baskın olan gizli ısıya kıyasla genellikle küçüktür.^(17)(18)

Gerçek karışımlar, moleküller arası etkileşimler nedeniyle Raoult yasasından ($y_i P = x_i P_i^{\text{sat}}$) sıklıkla sapar; bu etkileşimler, değiştirilmiş fugasite bağıntılarındaki aktivite katsayıları ($\gamma_i$) kullanılarak nicelendirilir:

$$y_i \phi_i^{\text{V}} P = x_i \gamma_i \phi_i^{\text{L}} P_i^{\text{sat}}$$

Van Laar denklemi gibi modeller azeotroplara yol açan pozitif sapmaları yakalarken, Wilson denklemi yerel bileşim etkileri yoluyla hem pozitif hem de negatif sapmaları hesaba katar; ikili sistemler için Wilson modeli şu şekilde verilir:

$$\ln \gamma_1 = -\ln(x_1 + A_{12} x_2) + x_2 \left( \frac{A_{12}}{x_1 + A_{12} x_2} – \frac{A_{21}}{x_2 + A_{21} x_1} \right)$$

Benzer bir ifade $\gamma_2$ için de geçerlidir; burada $A_{12}$ ve $A_{21}$, molar hacimlerden ve enerji farklarından türetilen sıcaklığa bağlı etkileşim parametreleridir ve doğru damıtma tasarımı için kritik olan ideal olmayan VLE eğrilerinin tahmin edilmesini sağlar.^(19)(20)

Damıtmada, her buhar-sıvı denge aşaması, dengede (her iki fazda eşit kimyasal potansiyeller) $\Delta G = 0$ ile kendiliğindenliğe yaklaşır. Ancak, genel ayırma işlemi, ayrışmayla ilişkili pozitif Gibbs serbest enerji değişimini aşmak için, temel olarak buharlaşma entalpisi yoluyla enerji girdisi gerektirir ve bu da daha saf bileşenlere doğru fraksiyonlamayı mümkün kılar.^(21)(22)

İstenen ayrımları minimum enerjiyle elde etmek için minimum geri devir (reflux) oranı, işletme ve denge hatlarının temas ettiği “pinch” koşulunu belirleyen Underwood denklemleri kullanılarak hesaplanır; sabit bağıl uçuculuk ($\alpha_i$) varsayılan çok bileşenli sistemler için temel bağıntı şöyledir:

$$\sum \frac{\alpha_i x_{D,i}}{\alpha_i – \theta} = 1 – q$$

Burada $x_{D,i}$ distilat bileşimi, $\theta$ bitişik uçuculuklar arasındaki bir kök ve $q$ besleme ısıl durumudur; bu, aşırı kademe veya enerji kullanımını önlemek için teorik alt geri devir sınırını sağlar.^(23)(24)

Teorik Modeller

Kesikli (Batch) Damıtma

Kesikli damıtma, diğer adıyla süreksiz veya diferansiyel damıtma, sabit bir sıvı karışım şarjının bir kazana veya imbiğe yerleştirildiği, buhar üretmek için ısıtıldığı ve buharın kademeli olarak uzaklaştırılıp distilat olarak yoğunlaştırıldığı, geride giderek değişen bir sıvı kalıntısının bırakıldığı bir ayırma işlemidir.⁽⁴⁶⁾ Bu operasyon, kararlı olmayan bir durumda çalışmasıyla sürekli süreçlerden ayrılır ve damıtma ilerledikçe hem distilatın hem de kazan sıvısının bileşiminin zamanla değişmesine izin verir.⁽⁴⁷⁾

İkili karışımların kesikli damıtılması için teorik temel, kazandaki sıvı bileşiminin evrimini tanımlayan Rayleigh denklemi ile özetlenmiştir. Toplam ve bileşen kütle dengelerinden türetilen denklem, sonsuz küçük miktarda buharın uzaklaştırılmasını dikkate alarak ortaya çıkar: Kazandaki toplam mol $L$, $dL$ kadar azalırken, daha uçucu bileşenin molleri $L \, dx + x \, dL = y \, dL$ şeklinde değişir; bu da şu ifadeye yol açar:

$$\frac{dL}{L} = \frac{dx}{y – x}$$

İlk koşullardan ($L_0, x_0$) son duruma ($L, x$) entegrasyon yapıldığında şu elde edilir:

$$\ln \left( \frac{L}{L_0} \right) = \int_{x_0}^{x} \frac{dx}{y – x}$$

Burada $y$, sıvı $x$ ile dengedeki buhar bileşimidir.⁽⁴⁶⁾ Bu integral, damıtma ilerledikçe kazan bileşiminin nasıl daha az uçucu bileşene doğru kaydığını nicelendirir ve genellikle denge verileri kullanılarak sayısal veya grafiksel olarak çözülür.⁽⁴⁷⁾

Geri devir (reflux) olmayan basit kesikli damıtmada, işletme hattı diferansiyel bir formla temsil edilir:

$$y = x + \frac{dx}{d(L/F)}$$

Burada $F$ ilk şarjdır; bu ifade, sabit bir geri devir akışı olmadığı için denge aşamaları arasında noktadan noktaya bir bağlantıya indirgenir.⁽⁴⁸⁾ Kesikli süreçler, küçük ölçekli üretim veya çok ürünlü kampanyalar için operasyonel esneklik gibi avantajlar sunarak kapsamlı duruş süreleri olmadan şarjlar arasında hızlı geçişlere olanak tanır; ancak sabit geri devir eksikliği ve zamanla değişen bileşimler nedeniyle sürekli damıtmaya kıyasla daha düşük ayırma verimliliğinden muzdariptir.⁽⁴⁹⁾

McCabe-Thiele yöntemi, değişen kazan bileşimini hesaba katan adım adım grafiksel çizimler yapılarak kesikli damıtmaya uyarlanabilir; başlangıçtaki $x_0$’dan başlayarak, distilat bileşimi dikey bir işletme hattı (basitlik için tam geri devir varsayımı) kullanılarak veya kısmi geri devir için ayarlanarak denge eğrisi boyunca adımlanır ve istenen ayırma elde edilene kadar kazan tutunması (hold-up) ve bileşimi güncellenerek yinelemeler yapılır.⁽⁴⁸⁾ Kolon iç aksamlarında tutulan sıvı gibi “hold-up” etkileri, ürün verimlerini olduğundan fazla tahmin etmekten kaçınmak için dahil edilmelidir, çünkü bunlar etkin kazan hacmini azaltır ve bileşim profillerini değiştirir.⁽⁵⁰⁾

Temsili bir örnek, bitki materyallerinden uçucu yağların çıkarılması için basit bir imbik kullanılmasıdır; burada sudaki bitki şarjı ısıtılır ve uçucu yağları taşıyan buhar kademeli olarak yoğunlaştırılır; bu durumda yoğunlaştırıcı veya borulardaki sıvı tutunması, tasarım yoluyla en aza indirilmezse yağ veriminde kayıplara yol açabilir.

Sürekli Damıtma

Sürekli damıtma, distilat ve dip (bottoms) çıkışlarında sabit bileşimli ürünler elde etmek için sürekli bir beslemenin ara bir kademeden verildiği, bir kolon içinde alçalan sıvı ile yükselen buhar akımları arasındaki ters akımlı temas yoluyla sıvı karışımların kararlı durum (steady-state) ayrılmasını içerir.⁽⁵¹⁾ Bu süreç, kontrollü sıcaklık ve basınç gradyanları altında bileşen uçuculuklarındaki farklılıklara dayanarak verimli fraksiyonlamayı mümkün kılarak, çoklu aşamalar boyunca dengeyi korur.

Sürekli damıtmada madde dengeleri, besleme (F), distilat (D), dip (B) ve iç akışları hesaba katarak genel kolon ve bireysel aşamalar etrafında formüle edilir. İkili bir sistem için bileşen dengesi şunu verir: $F z_F = D x_D + B x_B$; burada $z_F$, $x_D$ ve $x_B$ sırasıyla daha uçucu bileşenin besleme, distilat ve dip mol kesirleridir.⁽⁵²⁾ Aşama bazlı dengeler, zenginleştirme (rectifying) ve sıyırma (stripping) bölümlerinde sabit molar taşma (constant molar overflow) varsayar ve tam geri devirde minimum teorik kademe sayısı için Fenske denklemine yol açar:

$$N_{\min} = \frac{\ln \left( \frac{x_D (1 – x_B)}{x_B (1 – x_D)} \right)}{\ln \alpha}$$

Burada $\alpha$ bağıl uçuculuktur. $L$’nin geri devir akışı olduğu geri devir oranı $R = L/D$, aşamalar arasındaki buhar ve sıvı bileşimlerini ilişkilendiren işletme hatlarını tanımlar. Zenginleştirme bölümünde işletme hattı şöyledir:

$$y = \frac{R}{R+1} x + \frac{x_D}{R+1}$$

Bu hat, distilat noktasını ($x_D, x_D$) denge eğrisi üzerindeki besleme kesişimine bağlar. Sıyırma bölümü hattı ise şöyledir:

$$y = \frac{\bar{L}}{\bar{V}} x – \frac{B x_B}{\bar{V}}$$

Burada $\bar{L}$ ve $\bar{V}$ beslemenin altındaki sıvı ve buhar akışlarıdır; bu hat dip noktasından ($x_B, x_B$) ve aynı besleme kesişiminden geçerek, kademeli ayırmalar için kütle transferi itici güçlerinin denge eğrisiyle hizalanmasını sağlar.⁽⁵³⁾

Enerji dengeleri, ısı girdilerini ve çıktılarını eşitleyerek madde dengeleriyle bütünleşir; burada reboiler görevi $Q_R$, yükselen buharı sağlamak için dip sıvısını buharlaştırır (sabit gizli ısı varsayımları altında tipik olarak $Q_R = \bar{V} \lambda_B$) ve kondenser görevi $Q_C$, tepe buharını sıvılaştırır ($Q_C = (V + D) \lambda_D$), burada $\lambda$ molar gizli ısıdır.⁽⁵²⁾ Bu görevler, genel enerji dengesi $Q_R + F h_F = Q_C + D h_D + B h_B$ ile kolonun termal profilini korur; burada $h$ entalpileri ifade eder.⁽⁵⁴⁾

Ponchon-Savarit yöntemi, değişen duyulur ve gizli ısılara sahip sistemlerde daha doğru kademe hesaplamaları için grafiksel bir entalpi-konsantrasyon analizi sağlar; burada işletme hatları, $H_x$’in sıvı entalpisi olduğu bir $H_x$-$x$ diyagramına çizilir.⁽⁵⁵⁾ Aşamalar etrafındaki entalpi dengeleri, geçen akımları birbirine bağlayan çizgiler verir ve kademe sayısı, sabit molar taşma varsayımı olmaksızın besleme ve ürün entalpilerini dahil ederek, denge eğrisi ile bu çizgiler arasında dip ve distilat bileşimlerine kadar adımlanır.⁽⁵⁶⁾

Örneğin, dolgulu bir kolonda ikili etanol-su karışımının sürekli ayrılmasında, %40 mol etanol içeren 100 kmol/h’lik bir besleme, %95 mol distilat ve %5 mol dip ürünü üretmek için verilir; bu, yaklaşık 2 olan bağıl uçuculuk ve 3 geri devir oranında yaklaşık 15 teorik kademe gerektirir ve dolgulu yükseklik, yapılandırılmış dolgu için 0.5 m’lik teorik plaka eşdeğer yüksekliği (HETP) ile tahmin edilir.⁽⁵⁷⁾ Bu kurulum, verimli alkol geri kazanımı için madde ve enerji akışlarını dengeleyerek dolgu üzerinde ters akımlı buhar-sıvı teması ile kararlı durum operasyonu sağlar.

İdeallikten Sapmalar

Gerçek damıtma süreçlerinde, mükemmel faz ayrımı ve Raoult yasasına uygunluk varsayan ideal modeller tarafından tahmin edilen davranışları engelleyen ideal olmayan buhar-sıvı dengeleri (VLE), ekipman verimsizlikleri ve hidrodinamik sınırlamalar nedeniyle ideallikten sapmalar ortaya çıkar.⁽⁵⁸⁾ Bu sapmalar ayırmayı zorlaştırır ve genellikle ideal sürekli damıtma modellerindeki varsayımların ötesinde kolon tasarımı ve işletiminde ayarlamalar gerektirir.⁽⁵⁹⁾

Temel bir sapma, buhar ve sıvı bileşimlerinin aynı olduğu ve basit damıtma ile daha fazla ayrılmayı durduran sabit kaynama noktalı karışımlar olan azeotroplarda kendini gösterir. Minimum kaynama noktalı azeotroplar, Raoult yasasından pozitif sapmalar göstererek saf bileşenlerinden daha düşük sıcaklıklarda kaynarlar; örneğin, 78.2°C ve 1 barda %95.63 ağırlıkça etanol azeotropu oluşturan etanol-su sisteminde görüldüğü gibi.⁽⁶⁰⁾ Tersine, maksimum kaynama noktalı azeotroplar, nitrik asit-su sisteminde olduğu gibi bileşenlerinden daha yüksekte kaynayarak negatif sapmalar gösterir.⁽⁵⁸⁾

İdeal olmayan VLE, moleküler etkileşimleri hesaba katmak için aktivite katsayısı yaklaşımları kullanılarak modellenir; UNIFAC (UNIversal Functional Activity Coefficient) yöntemi, çok bileşenli karışımlarda bu katsayılar için grup katkısı tahminleri sağlar. Fredenslund ve arkadaşları tarafından geliştirilen UNIFAC, molekülleri fonksiyonel gruplara ayırır ve aktivite katsayılarını kombinatoryal ve artık katkılar yoluyla tahmin ederek deneysel verileri eksik olan sistemler için VLE tahminlerini mümkün kılar.⁽⁶¹⁾

Kolon verimliliği, eksik kütle transferi nedeniyle ideallikten sapar ve bu durum, bir tepside dengeye yaklaşım kesrini ölçen Murphree verimliliği ile nicelendirilir:

$$E = \frac{y_n – y_{n+1}}{y_n^* – y_{n+1}}$$

Burada $y_n$ ve $y_{n+1}$ sırasıyla tepsiye giren ve çıkan gerçek buhar bileşimleridir ve $y_n^*$ denge bileşimidir. Tipik değerler, sürüklenme (entrainment) ve baypas etkilerini yansıtarak tepsili kolonlar için 0.6 ila 0.9 arasında değişir.⁽⁵⁹⁾ Dolgulu kolonlar için, teorik plaka eşdeğer yüksekliği (HETP), teorik kademe başına yatak yüksekliği olarak tanımlanan dolgu verimliliğini değerlendirir; daha düşük HETP daha iyi performansı gösterir; yapılandırılmış dolgular genellikle hidrokarbon ayırmaları için 0.3–0.6 m HETP değerlerine ulaşır.⁽⁶²⁾

Sıvı damlacıklarının buhar tarafından üst tepsiye taşınması olan sürüklenme (entrainment) ve sıvının birikip akışı tersine çevirdiği taşma (flooding), buhar hızına operasyonel sınırlar getirerek ayırma verimliliğini düşürür. Sürüklenme taşması yüksek buhar hızlarında meydana gelir ve Fair yöntemi gibi korelasyonlar sıvı ve buhar yüklerine dayalı olarak başlangıcı tahmin eder.⁽⁶³⁾ Bu fenomenler, uygun tepsi aralığı ve iniş borusu (downcomer) tasarımı ile kontrol edilmezse genel kolon verimliliğini %20-30 oranında düşürebilir.⁽⁶⁴⁾

Modelleri doğrulamak için gerekli olan ikili VLE verileri, binlerce sistem için deneysel izotermleri derleyen NIST ThermoData Engine veya DECHEMA’nın Dortmund Veri Bankası gibi veritabanlarından sağlanır. Tahmin yöntemleri, benzer bileşikler için karşılık gelen durumlar ilkelerini veya veriler az olduğunda UNIFAC gibi grup katkısı araçlarını içerir.⁽⁶⁵⁾

Açıklayıcı bir örnek, kaynama noktaları birbirine yakın izomerler olan p-ksilen (kaynama noktası 138.4°C) ve o-ksilenin (144.4°C) ayrılmasıdır; burada 1.05 civarındaki bağıl uçuculuk, ideal modellerde 200’den fazla teorik kademe gerektirerek özelleşmiş dolguları veya hibrit süreçleri zorunlu kılar.

Tarihsel Gelişim

Antik ve Klasik Dönemler

Damıtma benzeri işlemlere dair bilinen en eski kanıtlar, Tepe Gawra’daki arkeolojik kazılarda MÖ 3500 civarına tarihlenen düzeneklerin ortaya çıkarıldığı antik Mezopotamya’da görülmektedir. Bu düzenek, sıvıları ısıtmak için derin bir seramik kase, bitki materyallerini tutmak için bir süzgeç havzası ve esas olarak parfümler ve tıbbi preparatlar için bitkilerden aromatik özler çıkarmak amacıyla buharları yakalayıp yoğunlaştıran çan şeklinde bir kapaktan oluşuyordu. Deneysel replikasyonlar, bu ekipmanın çam reçinesi veya otlar gibi malzemelerle ısıtıldığında az miktarda parfümlü su ve uçucu yağ üretebildiğini doğrulamıştır.⁽²⁵⁾

Demir Çağı’nda (MÖ 1200–500), Mezopotamya ve Mısır’da damıtma uygulamaları daha fazla belgelenmiş, parfümeri ve farmakolojide bitki özlerinden uçucu bileşenleri ayırmak için basit düzenekler kullanılmıştır. Kil kaplar ve basit yoğunlaştırıcılar, merhemlerde ve tütsülerde kullanılan kokulu yağların izolasyonunu kolaylaştırmış ve bu durum, ileri teorik anlayıştan ziyade saflaştırma için ampirik teknikleri yansıtmıştır. MÖ 1200 civarından kalma Akad çivi yazısı tabletleri, bu parfümeri işlemlerini detaylandırarak damıtmanın elit zanaatlardaki ve şifa ritüellerindeki rolünü göstermektedir.⁽²⁶⁾

Klasik Yunan ve Roma döneminde, damıtma felsefi sorgulama ve pratik uygulama yoluyla kavramsal bir zemin kazandı. Distilatı toplamak için kullanılan fincan şeklindeki imbik başlığını ifade eden Yunanca ambix terimi, MÖ 5. yüzyılda literatüre girerek buhar tabanlı ayırmaya olan aşinalığı vurguladı. Herodotus, MÖ 450 civarında İskitlerin kısrak sütünü güçlü bir içeceğe dönüştürmek için kullandığı, tarihçilerin alkol üretimi için ilkel bir damıtma olarak yorumladığı ısıtma ve süzme tekniklerini tanımladı. Aristoteles, MÖ 4. yüzyılda sıvıları uçuculuklarına göre sınıflandırarak—buharlaşmaya yatkın olanları (alkol gibi) daha az buharlaşanlardan (su gibi) ayırarak—damıtmada faz değişimlerinin anlaşılmasına zemin hazırlayan erken buhar teorisini geliştirdi.⁽²⁷⁾

Mısır’daki İskenderiye okulu (MÖ 1. yüzyıl – MS 3. yüzyıl), damıtma cihazı tasarımında çok önemli bir ilerlemeye işaret etti. MS 200 civarında aktif olan erken dönem simyacısı Meryem (Maria the Jewess), hassas karışımların yanmasını önlemek için kontrollü, eşit ısıtma sağlayan benmari usulünü (bain-marie) ve cıva veya uçucu yağlar gibi maddeleri damıtmak ve süblimleştirmek için üç kollu bir yoğunlaştırıcıya sahip kapalı bir cihaz olan kerotakis‘i icat etti. Daha sonra kendisine atfedilen simya metinlerinde açıklanan bu yenilikler, felsefi ve tıbbi uğraşlar için saf uçucu maddelerin daha hassas bir şekilde çıkarılmasını sağladı. MS 3. yüzyılın sonlarında yaşayan bir başka İskenderiyeli figür olan Panopolisli Zosimos, bu araçları yazılarında belgeleyerek ampirik zanaat ile proto-bilimsel deneyler arasında bir köprü kurdu.⁽²⁸⁾

Paralel gelişmeler, yara iyileşmesi ve parfümeri gibi terapötik uygulamalar için aromatik bitki özlerinin kullanımına atıfta bulunan Ayurveda metinlerinin bulunduğu antik Hindistan’da da meydana geldi. Bu süreçler, sandal ağacı ve zerdeçal gibi bitkilerden uçucu bileşikleri izole etmek için toprak kaplar kullanan basit buharlaştırma tekniklerini içeriyordu. Çin’de, Han Hanedanlığı bölgelerindeki arkeolojik kanıtlar, sıvıları konsantre etmek için kullanılan erken cihazları doğrulamaktadır; ancak teknik ampirik kalmış ve ritüel ile tıbbi kullanımlara bağlıydı. Bu antik ve klasik uygulamalar, sonraki çağlarda daha sistematik yöntemlere geçiş yapacak olan damıtma için ampirik temeli oluşturdu.⁽²⁶⁾

Orta Çağ’dan Erken Modern Döneme

8. yüzyıldan 14. yüzyıla kadar süren İslam Altın Çağı’nda damıtma, simya ve tıbbi yeniliklerle önemli ölçüde ilerledi. Latince’de Geber (yaklaşık 721–815) olarak bilinen Cabir bin Hayyan, 500’den fazla eserden oluşan kapsamlı külliyatında ampirik deneylere vurgu yaparak, uçucu bileşenleri karışımlardan ayırmak için maddelerin sınıflandırılmasını sistematize etti ve imbik (alembic) dahil olmak üzere damıtma cihazlarını geliştirdi.⁽²⁹⁾ Yöntemleri, saf özlerin izole edilmesi için temel ilkeleri belirledi ve sonraki kimyasal uygulamaları etkiledi. Benzer şekilde, Muhammed bin Zekeriya el-Razi veya Rhazes (yaklaşık 865–925), tıp ve simya üzerine yazdığı, Yunan, Fars ve Hint bilgilerini bütünleştiren kapsamlı metinlerinde detaylandırıldığı üzere, uçucu yağların çıkarılması ve farmakopede kullanılan damıtılmış suların hazırlanması için teknikler geliştirerek damıtmayı tıbbi preparatlara uyguladı.⁽³⁰⁾ Bu katkılar, damıtmayı ampirik bir zanaattan terapötik ve simyasal uğraşlar için sistematik bir araca yükseltti.

Orta Çağ Çin’inde, 9. ve 13. yüzyıllar arasında damıtma, özellikle Taocu gelenekler ve farmakope içinde simyasal ve pratik bağlamlarda ortaya çıktı. Damıtma yoluyla bitkisel ekstraksiyonlar, iksirler ve tıbbi konsantreler üretmek için kullanıldı, ancak yaygın benimsenme Song ve Yuan etkileri altında daha sonra gerçekleşti.⁽³¹⁾ Barut üretimi için güherçile (potasyum nitrat), patlayıcı etkinliğini artırmak amacıyla, Wujing Zongyao gibi 10. yüzyıl askeri el kitaplarında kanıtlandığı üzere, süblimleşme ve yeniden kristalleştirme gibi damıtma benzeri işlemlerle saflaştırıldı.^(32)} Bu teknikler, Çin’in simya ve tıbba entegre yaklaşımını yansıtarak hem farmakolojik tedavileri hem de teknolojik gelişmeleri destekledi.

12. ve 15. yüzyıllar arasındaki Avrupa Orta Çağı’nda damıtma bilgisi, Toledo gibi merkezlerde Arapça metinlerin tercümeleri yoluyla yayıldı; burada akademisyenler Cabir ve el-Razi’nin eserlerini Latince’ye çevirerek gelişmiş imbikleri ve rektifikasyon (saflaştırma) yöntemlerini Batılı simyacılara tanıttı.⁽³³⁾ Özellikle İtalya ve Fransa’daki manastır toplulukları, Salernitan okullarının bitkisel distilatlardaki kullanımlarını belgeleyen erken kayıtlarla birlikte, veba ve rahatsızlıklara karşı tıbbi tonikler olarak değer verilen şaraptan damıtılmış bir ruh olan aqua vitae‘yi üretmek için bunları benimsedi.⁽³⁴⁾

Rönesans (15.-17. yüzyıllar), simya teorisini iyatrokimya (tıbbi kimya) ile harmanlayarak damıtmanın yerel ve pratik bir genişlemesine işaret etti. Hieronymus Brunschwig’in Almanca basılan ilk el kitabı olan Liber de arte distillandi (1500), bitkilerden ve minerallerden tıbbi sular, yağlar ve özler (quintessence) için 200’den fazla damıtma tarifini detaylandırarak sanatı Latince bilen elitlerin ötesine taşıdı.⁽³⁵⁾ Paracelsus (1493–1541), damıtmayı temel malzemelerden “quintessence”ı veya saf terapötik özü çıkarmanın bir aracı olarak görerek, belirli hastalıkları hedeflemek için afyon tentürü (laudanum) ve cıvalı preparatlar gibi damıtılmış kimyasal ilaçları savunup iyatrokimya yoluyla alanda daha fazla devrim yarattı.⁽³⁶⁾

Avrupa’da Arnold of Villanova (yaklaşık 1240–1311) tarafından öncülük edilen erken alkol damıtımı, manastır ve eczacı ağları aracılığıyla yayılan, 13. yüzyıl incelemesinde onarıcı özellikleri nedeniyle övülen, şaraptan elde edilen yüksek oranda rektifiye edilmiş aqua ardens‘i üretti.⁽³⁷⁾ Bu teknik doğuya doğru yayıldı ve Portekizli tüccarlar tarafından belirtildiği gibi, palmiye özünün Avrupa brendisine benzer güçlü içkiler halinde damıtıldığı 16. yüzyılda Hindistan’daki arak üretimini etkiledi.⁽³⁸⁾ Çin’de, baijiu (sorgum bazlı içkiler) için damıtma, Moğol etkisi altındaki Yuan hanedanlığı (13.-14. yüzyıllar) sırasında gelişti ve yerel fermantasyonu ithal edilen rektifikasyon yöntemleriyle bütünleştirerek çoklu fraksiyonlamalar yoluyla yüksek alkollü likörler elde edildi.⁽³⁹⁾

Sanayi Devrimi ve Sonrası

18. yüzyılın sonlarında, bilimsel gelişmeler damıtmayı zanaatkar bir uygulamadan daha sistematik bir sürece dönüştürmeye başladı. İskoç hekim ve kimyager William Cullen, 1748’de dietil eter üzerinde kısmi vakum oluşturmak için bir pompa kullanarak öncü deneyler yaptı; bunun sonucunda eterin kaynaması ve yapay soğuk üretmesi, ısıya duyarlı bileşiklerin bozulmadan daha düşük sıcaklıklarda ayrılmasını sağlayan vakum damıtmanın arkasındaki temel ilkeyi oluşturdu.⁽⁴⁰⁾ Eş zamanlı olarak, Fransız kimyager Antoine Lavoisier, 1780’lerde fermantasyon kimyasına dair çok önemli içgörüler sağladı ve deneyler yoluyla şekerin fermantasyon sırasında alkole ve karbondioksite dönüştüğünü nicel olarak gösterdi. Alkol üretiminde damıtmadan hemen önceki süreç olan fermantasyonun biyokimyasal temelini açıklığa kavuşturan bu çalışma, endüstriyel ölçekli uygulamaların temelini attı.⁽⁴¹⁾

19. yüzyıl Sanayi Devrimi, yakıt, kimyasal madde ve alkollü içki talebiyle damıtmanın büyük ölçekli endüstriyel üretime geçişine işaret etti. 1830’da İrlandalı mucit Aeneas Coffey, kesintisiz çalışmayı ve diskli imbiklere kıyasla daha yüksek saflıkta alkol çıktısı almayı sağlayan çok aşamalı bir rektifiye cihazı olan sürekli kolon imbiğini patentledi; bu gelişme viski endüstrisini derinden etkiledi ve modern sürekli damıtma süreçlerinin önünü açtı.⁽⁴²⁾ 1860’lara gelindiğinde, artan endüstriyel ihtiyaçlar doğrultusunda ham petrolün kerosen ve diğer ürünlere rafine edilmesi için ayrımsal damıtma (fraksiyonel distilasyon) teknikleri ilerledi.

20. yüzyılda, 1910’larda otomobil kullanımındaki patlamayı takiben damıtma, ham petrolü benzin, dizel ve yağlayıcılara ayrıştırmak için fraksiyonel damıtma kolonlarının büyük ölçüde genişlemesini tetikleyen petrol endüstrisinin ayrılmaz bir parçası haline geldi; ABD rafinasyon kapasitesi bu dönemde önemli ölçüde arttı. Kolon tasarımları, daha küçük ölçekli veya vakumlu operasyonlar için dolgulu kolonların ve petrokimya tesislerinde buhar-sıvı temasını ve ayırma verimliliğini artıran (19. yüzyılın başlarında tanıtılan kabarcık kapaklı tepsilere sahip) tepsili kolonların geliştirilmesiyle evrildi.

1950 sonrası yenilikler, hassasiyeti ve sürdürülebilirliği artırmak için hesaplamalı araçları ve hibrit süreçleri entegre etti. İlk kez 1982’de piyasaya sürülen Aspen Plus gibi Bilgisayar Destekli Tasarım yazılımları, kolon performansını, geri devir oranlarını ve enerji kullanımını simüle ederek kimya tesislerinde tasarım yinelemelerini ve işletme maliyetlerini azaltarak damıtma mühendisliğinde devrim yarattı.⁽⁴³⁾ Reaktif damıtma, 1970’lerde kimyasal reaksiyonları tek bir kolonda ayırma işlemiyle birleştiren araştırmalarla ortaya çıktı ve daha yüksek verim ile daha düşük enerji tüketimi sağladı; bunun ufuk açıcı bir örneği, petrokimya sektöründeki süreçleri etkileyen metil tert-bütil eter (MTBE) üretimi için 1981’deki ticari çıkışıdır.⁽⁴⁴⁾

21. yüzyılda damıtma, enerji taleplerini azaltmak ve yenilenebilir kaynaklarla bütünleşmek amacıyla 2010’lardan bu yana araştırılan membran destekli varyantlarla sürdürülebilirlik zorluklarına uyum sağlamıştır; örneğin, hibrit pervaporasyon-membran damıtma sistemleri, geleneksel yöntemlere kıyasla solvent geri kazanımında %50’ye varan enerji tasarrufu göstermiştir. Bu süreç aynı zamanda biyoyakıtlarda da çok önemli bir rol oynamaktadır; ABD’de mısır bazlı etanol üretiminin 2000’lerdeki genişlemesi buna örnektir. Burada damıtma, fermantasyon suyunu %95’in üzerinde etanol saflığına kadar arındırır ve yenilenebilir yakıtlar için politika teşvikleri sayesinde yıllık üretim 2000’de 1,6 milyar galondan 2010’da 13,5 milyar galona yükselmiştir.⁽⁴⁵⁾

Laboratuvar Teknikleri

Basit ve Vakum Damıtma

Basit damıtma, özellikle bileşenler önemli bir uçuculuk farkı gösterdiğinde, sıvı karışımları kaynama noktalarındaki farklılıklara dayanarak ayırmak için kullanılan temel bir laboratuvar tekniğidir. Aparat tipik olarak, damıtma balonu olarak görev yapan yuvarlak dipli bir balon, buharı soğutmak ve yoğunlaştırmak için bağlanan bir kondenser (genellikle Liebig veya Graham tipi) ve distilatı toplamak için bir toplama balonundan oluşur.^(66)(67) Bu kurulum, daha uçucu bileşeni buharlaştırmak için bir ısıtma mantosu veya Bunsen beki kullanılarak kademeli olarak ısıtılır; buharlaşan bileşen daha sonra yoğunlaşır ve izole edilir, orijinal balonda daha az uçucu kalıntılar bırakır. Bu yöntem, bileşenler arasındaki kaynama noktası farkının 70°C’yi aştığı karışımlar için en uygundur ve fraksiyonlamaya gerek kalmadan etkili tek aşamalı ayırma sağlar.^(67)(68)

Uygulamada süreç, çözünen maddelerin varlığının genel kaynama sıcaklığını saf çözücünün ötesine yükselttiği ideal olmayan karışımlardaki kaynama noktası yükselmesini hesaba katar; bu durum koligatif özellikler tarafından yönetilir. Ek olarak, Dalton’un kısmi basınçlar yasası, karışımın toplam buhar basıncının bileşenlerinin kısmi basınçlarının toplamına eşit olduğunu belirtir, bu da buhar fazının bileşimini ve dolayısıyla ayırma verimliliğini etkiler.^(69)(70) Bu etkiler, distilatın daha düşük kaynama noktalı bileşenle zenginleşmesini sağlar, ancak uçuculuk farkı marjinal ise basit damıtma saf olmayan fraksiyonlar verebilir.

Vakum damıtma, sıvıların kaynama noktalarını düşüren ve termal bozulmayı önlemek için daha ılıman sıcaklıklarda damıtmayı mümkün kılan azaltılmış basınç altında çalışarak bu yöntemi genişletir. Kurulum, sistemi boşaltmak için bir vakum pompası veya aspiratör, basınç seviyelerini doğru bir şekilde izlemek için bir manometre ve uçucu safsızlıkları yoğunlaştırıp pompayı kirlenmeden korumak için genellikle kuru buz ve çözücü içeren bir Dewar şişesi olan bir soğuk tuzak içerir.^(71)(72) Basınç ve kaynama noktası arasındaki ilişki Clausius-Clapeyron denklemi ile tanımlanır:

$$\ln P = -\frac{\Delta H_v}{R T} + C$$

Burada $P$ buhar basıncı, $\Delta H_v$ buharlaşma entalpisi, $R$ gaz sabiti, $T$ mutlak sıcaklık ve $C$ bir sabittir. Bu denklem, azalan basıncın ($P$) kaynama noktasını ($T$) nasıl aşağı çektiğini nicelendirerek, aksi takdirde aşırı ısı gerektirecek ayırmaları kolaylaştırır.⁽⁷³⁾

Bu varyant, yüksek sıcaklıkların bozulmaya (dekompozisyon) neden olabileceği veya moleküler yapıları değiştirebileceği farmasötikler ve doğal ürünler gibi ısıya duyarlı bileşiklerin saflaştırılması, böylece verim ve saflığın korunması için özellikle değerlidir.⁽⁷⁴⁾ Laboratuvar ortamlarında güvenlik protokolleri esastır: cam malzemeler basınç farklarına dayanabilmeleri için çatlaklara karşı incelenmeli ve içe veya dışa patlamaları önlemek için tahliye vanaları gibi basınç tahliye mekanizmaları kullanılmalıdır. Operatörler, aparattaki stresi en aza indirmek için kademeli basınç değişiklikleri sağlayarak koruyucu gözlük ve eldiven takmalıdır.^(75)(76)

Basit damıtmanın klasik bir örneği tuzlu suyun saflaştırılmasıdır; burada tuzlu çözelti damıtma balonunda ısıtılır, uçucu olmayan tuzu geride bırakırken saf suyu (atmosferik basınçta 100°C kaynama noktası) buharlaştırır; yoğunlaşan buhar alıcıda tatlı su olarak toplanır ve küçük ölçekte etkili tuz gidermeyi gösterir.^(77)(78)

Ayrımsal (Fraksiyonel) ve Buhar Damıtma

Ayrımsal damıtma (fraksiyonel distilasyon), damıtma balonu ile kondenser arasına bir fraksiyonlama kolonu ekleyerek, kolon içinde tekrarlanan buharlaşma ve yoğunlaşma aşamalarına izin vererek kaynama noktaları yakın olan sıvı karışımları için ayırma verimliliğini artırır. Yaygın laboratuvar fraksiyonlama kolonları arasında, buhar-sıvı teması için yüzey alanını artırmak üzere oyuklu girintilere sahip Vigreux kolonu ve küçük ölçekte fraksiyonlanmayı teşvik etmek için cam boncuklar veya Raschig halkaları gibi inert malzemelerle doldurulmuş dolgulu kolonlar bulunur.⁽⁷⁹⁾ Bu tür kolonların etkinliği, eşdeğer ideal denge aşaması sayısını temsil eden teorik plaka sayısı ile nicelendirilir; tam geri devir koşulları altındaki ikili karışımlar için bu minimum sayı $N$, Fenske denklemi ile verilir:

$$N = \frac{\log \left( \frac{x_D / (1 – x_D)}{x_B / (1 – x_B)} \right)}{\log \alpha}$$

Burada $x_D$ ve $x_B$, sırasıyla distilat ve dipteki daha uçucu bileşenin mol kesirleridir ve $\alpha$ bağıl uçuculuktur. Uygulamada saflık, ürün olarak toplanan miktara kıyasla kolona geri döndürülen yoğunlaşmış buharın oranı olarak tanımlanan geri devir-alım oranı (reflux-to-takeoff ratio) ayarlanarak kontrol edilir; daha yüksek oranlar ayrılmayı iyileştirir ancak enerji kullanımını ve süreyi artırır.⁽⁴⁹⁾ Klasik bir laboratuvar örneği, kaynama noktalarının yaklaşık 30°C farklılık gösterdiği (benzen için 80°C, toluen için 110°C) benzen-toluen karışımının ayrılmasıdır; 3:1 veya daha yüksek geri devir oranlarında bir Vigreux kolonu ile neredeyse saf fraksiyonlar elde edilir.⁽⁸⁰⁾ Ayrımsal damıtma, çok aşamalı zenginleştirme gerektiren karışımlar için etkili olsa da, özellikle kaynama noktası farkları 70°C’nin altında olan bileşenler için uygundur; daha geniş farklar için daha basit yöntemlere kıyasla gereksiz derecede karmaşık olabilir.⁽⁸¹⁾

Buhar damıtma, karışımın içinden buhar geçirerek ve eklemeli buhar basınçları yoluyla etkili kaynama noktasını düşürerek suyla karışmayan, ısıya duyarlı, yüksek kaynama noktalı organik bileşiklerin izolasyonunu kolaylaştırır. Karışmayan sıvılar için toplam basınç, Dalton yasası ile tanımlandığı gibi, her iki bileşenin normal kaynama noktasının altındaki bir sıcaklıkta atmosfer basıncına eşittir: $P_{\text{toplam}} = P_A + P_{\text{buhar}} = P_{\text{atm}}$; burada $P_A$ organik bileşik A’nın, $P_{\text{buhar}}$ ise suyun buhar basıncıdır; bu durum birçok organik madde için yaklaşık 99°C’de ortak damıtma (co-distillation) ile sonuçlanır.⁽⁸²⁾ Aparat tipik olarak, bir kondensere bağlantı sağlarken kaynatma balonuna buhar vermek için bir Claisen adaptörü içerir ve distilat faz ayrımı için bir ayırma hunisinde toplanır; suyu sürekli olarak uzaklaştırmak ve geri devri sürdürmek için bir Dean-Stark tuzağı entegre edilebilir.⁽⁷⁹⁾ Bu yöntem, Rosa damascena yapraklarından gül yağı elde edilmesi gibi bitki materyallerinden uçucu yağların çıkarılması için idealdir; burada buhar, sitronellol ve geraniol gibi suda çözünmeyen uçucuları buharlaştırarak, termal bozulma olmaksızın ağırlıkça %0.02-0.05 yağ verimi sağlar.⁽⁸³⁾ Ancak buhar damıtma, özellikle kaynama noktaları suyun oldukça üzerinde olan (örneğin >150°C) geniş kaynama aralıklı karışmayan karışımlarla sınırlıdır ve karışabilen veya düşük uçuculuğa sahip bileşikler için etkisizdir.⁽⁸²⁾

Özelleşmiş Yöntemler

Moleküler damıtma, geleneksel damıtma sıcaklıklarında bozunan, ısıya duyarlı, yüksek moleküler ağırlıklı bileşiklerin ayrılması için kullanılan özel bir vakum tekniğidir. Tipik olarak 0.01 torr (yaklaşık 1.33 Pa) altındaki yüksek vakum koşullarında çalışır; burada moleküllerin ortalama serbest yolu, evaporatör ve kondenser arasındaki mesafeyle karşılaştırılabilir düzeydedir, bu da termal maruziyeti en aza indirir ve daha düşük sıcaklıklarda çalışmayı sağlar. Bu yöntem, doğal yağlardan tokoferollerin veya bitki özlerinden kanabinoidlerin saflaştırılması gibi bileşiklerin kısa kalış süreleriyle yüksek saflıkta elde edilmesi için özellikle yararlıdır. Varyantlar arasında, gelişmiş ısı transferi ve buharlaşma için ısıtılmış bir yüzeye ince bir sıvı filmi yaymak üzere dönen bıçaklar kullanan silinmiş film (wiped-film) moleküler damıtma ve viskoz beslemeler için verimliliği artırarak yüksek vakum altında düzgün bir ince film sağlamak üzere merkezkaç kuvveti kullanan santrifüjlü moleküler damıtma bulunur.

Havaya duyarlı vakum damıtma, oksijene veya neme maruz kaldığında bozulan organometalikler gibi reaktif bileşiklerin saflaştırılmasını ele alır. Bu teknik, cam malzemelerden hava ve suyu tahliye etmek için inert gaz süpürme ve vakum işlemlerini kolaylaştıran Schlenk hattı sistemlerini entegre eder ve genellikle katı anaerobik koşullar altında kullanım için eldivenli kutu (glovebox) kurulumlarıyla birleştirilir. Örneğin, bir Schlenk hattında dinamik vakum damıtma, pozitif bir inert gaz atmosferini korurken düşük basınçta damıtma yaparak yüksek kaynama noktalı organofosfor bileşikleri gibi havaya ve neme duyarlı sıvıların saflaştırılmasına olanak tanır; bu da kirlenmeyi önler ve 0.2 mL kadar küçük hacimlerle mikro ölçekli operasyonları mümkün kılar.

Bölge damıtma (Zone distillation), safsızlıkları dağılım katsayılarına göre ayırmak için ısıtılmış bir bölgenin sıvı bir numune boyunca birden çok kez geçirilmesini içeren, bölge eritmeye (zone melting) benzer saflaştırma ilkelerini genişletir. Bu yöntemde, dar bir ısıtma bölgesi numune kabı boyunca ilerleyerek lokal buharlaşma ve yeniden yoğunlaşmaya neden olur; tekrarlanan döngülerden sonra (tipik olarak %99.9999’u aşan ultra yüksek saflık seviyeleri için 10-25 geçiş) safsızlıklar uçlarda yoğunlaşır. Standart damıtmanın yetersiz kaldığı yüksek saflıkta çözücüler veya analitik reaktifler gibi sıvılara uygulanır ve sıvı fazda yönlü katılaşma benzeri etkiden yararlanarak milyarda bir (ppb) seviyelerinin altında safsızlık seviyelerine ulaşır.

Moleküler damıtmanın bir alt kümesi olan kısa yol (short-path) damıtma, tutunma süresini ve termal bozulmayı daha da azaltmak için 10 cm’den daha az bir evaporatör-kondenser mesafesine sahiptir; bu da onu vitaminler veya kanabinoidler gibi ısıya duyarlı biyomoleküllerin izole edilmesi için ideal hale getirir. Örneğin, balık yağlarından ve bitkisel kaynaklardan gelen omega-3 çoklu doymamış yağ asitlerini veya tokoferolleri etkili bir şekilde konsantre ederken, kalıcı organik kirleticiler gibi kontaminantları uzaklaştırır ve vakum altında 200°C’nin altındaki çalışma sıcaklıklarında biyoaktiviteyi korur.

Kapalı sistemlerde kriyojenik vakum damıtma, buharları seçici olarak yoğunlaştırmak için düşük sıcaklıkta soğutmayı vakumla birleştirerek oldukça uçucu bileşikleri yakalamak ve saflaştırmak için tasarlanmıştır. Bu kapalı döngü aparatı, karmaşık matrislerden soygazlar veya çevresel izleyiciler gibi uçucuları izole etmek için kriyojenik tuzaklar kullanarak transfer sırasında analit kaybını önler ve atmosferik maruziyet olmadan laboratuvar analizlerinde nicel geri kazanım sağlar.

Laboratuvar ölçeğinde reaktif damıtma, ürünleri oluştukça uzaklaştırarak esterleşmeler gibi denge sınırlı süreçler için verimleri artıran, yerinde (in-situ) kimyasal reaksiyonları eş zamanlı ayırma ile bütünleştirir. Bu, katalizörlerin damıtma bölgesi içinde reaksiyonu kolaylaştırdığı küçük dolgulu kolonlarda veya mikro reaktörlerde elde edilir ve minimum alt akış işlemiyle hassas kimyasalların sentezlenmesine uygulanabilir, ancak ölçek büyütme zorlukları bunu öncelikle kavram kanıtlama çalışmalarıyla sınırlar.

Endüstriyel Süreçler

Kolon Tasarımı ve İşletimi

Endüstriyel damıtma kolonları, uçuculuk farklarına dayalı olarak çok bileşenli ayırmaları gerçekleştirmek amacıyla tekrarlanan buhar-sıvı temasını teşvik etmek için yapılandırılmış iç aksamlar içeren dikey tanklardır. İç aksam seçimi (tepsiler veya dolgular); işlem kapasitesi (throughput), basınç düşüşü gereksinimleri ve akışkan özellikleri gibi faktörlere bağlıdır; tepsiler yüksek sıvı yükleri için tercih edilirken, dolgular aşındırıcı veya düşük basınçlı uygulamalar için tercih edilir. Endüstriyel kurulumların yaklaşık yarısında kullanılan tepsili kolonlar, buhar geçişi için deliklere sahip elek tepsiler (sieve trays) veya akışı yönlendirmek ve sızıntıyı (weeping) önlemek için yükselticiler ve kapaklara sahip kabarcık kapaklı tepsiler (bubble-cap trays) gibi çapraz akışlı tasarımlara sahiptir. Elek tepsiler köpürmeyen sistemlerde basitlik ve verimlilik sunarken, valf tepsiler açıklık boyutlarını ayarlayarak değişken yüklerde esneklik sağlar. Buna karşılık, dolgulu kolonlar, daha küçük çaplarda maliyet etkin yüzey alanı için Raschig halkaları gibi rastgele dolguları veya yüksek saflıktaki ayırmalarda düzgün akış ve azaltılmış kanallanma için Mellapak gibi yapılandırılmış dolguları kullanır.^(84)(85)(86)

Bu iç aksamlar için performans metrikleri temelden farklılık gösterir: tepsi verimliliği, genellikle Murphree buhar verimliliği yoluyla tek bir tepside dengeye yaklaşımı nicelendirir:

$$\eta_{m,i,j} = \frac{y_{i,j} – y_{i,j+1}}{y_{i,j}^* – y_{i,j+1}}$$

Burada $y$ buhar bileşimini ve yıldız işareti dengeyi gösterir; genel verimlilikler, gelişmiş karıştırma nedeniyle düşük basınçlarda 0.5’ten yüksek basınçlarda 0.9’a kadar değişir. Dolgulu kolonlarda, teorik plaka eşdeğer yüksekliği (HETP), bir denge aşaması sağlayan dolgu yüksekliğini ölçer ve $HETP \approx d_p / 60$ (rastgele dolgular için $d_p$ mm cinsinden) olarak hesaplanır; bu da toplam yükseklik tahminine $Z = N_{TP} \times HETP$ olarak izin verir, burada $N_{TP}$ teorik plaka sayısıdır; HETP değerleri tipik olarak sıvı-buhar oranlarına bağlı olarak 0.3-1 m arasındadır. Bu metrikler, tepsili ve dolgulu sistemlerin karşılaştırılmasını sağlar; dolgular genellikle vakum hizmetinde daha düşük HETP elde eder ancak yanlış dağılımı (maldistribution) önlemek için dikkatli dağıtım gerektirir.^(87)(86)

Kolon tasarımı, ikili veya sözde ikili (pseudobinary) sistemler için McCabe-Thiele yöntemi kullanılarak kademe sayısının boyutlandırılmasıyla başlar; bu yöntem, toplam geri devirde (total reflux) minimum teorik kademeleri ($N_{min}$) ve sabit molar taşma varsayımları altında geri devir oranının kademe sayısı üzerindeki etkisini belirlemek için buhar-sıvı denge diyagramında zenginleştirme ve sıyırma bölümleri için işletme hatlarını grafiksel olarak oluşturur. Bu yöntem, ihmal edilebilir ısı kayıpları ve eşit molar gizli ısılar varsayarak, distilat bileşiminden besleme koşuluna kadar kademelerin adımlanmasıyla ön boyutlandırmaya rehberlik eder. Sonlu geri devri hesaba katmak için, ampirik Gilliland korelasyonu gerçek kademeleri $N = N_{min} + f(R)$ olarak tahmin eder; burada $f(R)$, $Y = \frac{N – N_{min}}{N + 1}$ ve $X = \frac{R – R_{min}}{R + 1}$ fonksiyonudur ve yaklaşık olarak $Y \approx 0.75 – 0.75X^{0.5668}$ şeklindedir; bu, $R_{min}$’in 1.1-1.5 katı olan ekonomik geri devir oranları için genellikle minimumdan %20-50 daha fazla kademe verir. Denge aşaması modellerine dayanan bu yaklaşımlar, toplam yüksekliği tepsi aralığı (24-36 inç) çarpı gerçek tepsiler veya dolgu yüksekliği olarak bildirir.^(88)(89)(85)

Operasyonel stratejiler, enerji kullanımını optimize ederken kararlı durum (steady-state) koşullarını korumaya odaklanır. Besleme girişi, verimliliği en üst düzeye çıkarmak ve aşırı sürüklenme veya taşmayı önlemek için, besleme hattının işletme hatlarıyla kesiştiği aşamada, dengeli ayırmalar için tipik olarak tepeden %40-60 mesafede gerçekleşir. Geri devir oranı, ayar noktalarından sıcaklık sapmalarına yanıt olarak kondenser veya reboiler görevlerini manipüle eden PID kontrolörleri tarafından düzenlenir ve bileşim gradyanlarını stabilize ederek ürün saflığını sağlar; örneğin, bir tepe-tepsi sıcaklık kontrolörü, besleme varyasyonlarına karşı koymak için geri devri ayarlar. Başlatma (startup), inert gazların tahliyesini, envanter ve profiller oluşturmak için tam geri devir sağlanmasını (genellikle 1-4 saat), ardından hidrolik kararlılığı izleyerek beslemenin kademeli olarak artırılmasını içerirken; durdurma (shutdown), beslemenin kesilmesini, dip ürününü boşaltmak için geri devrin azaltılmasını ve termal stres veya kalıntı birikimini önlemek için kontrollü basınç düşürülmesini gerektirir. Bu prosedürler, hidrokarbon hizmetlerinde ürün çekilmeden önce kararlı profiller elde etmek için yaygın olan tam geri devir başlatmasıyla spesifikasyon dışı üretimi en aza indirir.^(85)(90)

Enstrümantasyon, gerçek zamanlı izleme yoluyla güvenli ve verimli operasyon sağlar. Çoklu tepsi seviyelerinde termokupllar veya RTD’ler aracılığıyla ölçülen sıcaklık profilleri, dolaylı bileşim çıkarımı sağlar; yukarı doğru azalan sıcaklıklar artan hafif bileşen zenginleşmesini yansıtır ve profiller, “pinch” bölgeleri gibi anormallikleri tespit etmek için kaydedilir. Yan akımları her 10-20 dakikada bir örnekleyen gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi (GC/MS) sistemleri gibi çevrimiçi bileşim analizörleri, distilat ve dip ürünleri için hassas mol kesri verileri sunar, ancak taşıma gecikmeleri tepsi sıcaklığı vekilleri gibi çıkarımsal kontrolleri gerektirir. Bu araçlar, dinamik beslemelerde verimi artırmak için otomatik ayarlamalar yapan dağıtılmış kontrol sistemleri (DCS) ile entegre olur.⁽⁹¹⁾

Pilottan endüstriyel ölçeğe büyütme, aşırı buhar hızının sıvı birikimine neden olduğu taşmayı (flooding) önlemek için hidrolik sınırlara vurgu yapar. Kolon çapı $D$, hacimsel buhar akışı $V$ ve taşma hızı $v_f$’den hesaplanır:

$$v_f = K \sqrt{\frac{\rho_L – \rho_V}{\rho_V}}$$

Burada $K$ (tepsiler için 0.06-0.12 m/s, dolgular için daha düşük) akış parametresi korelasyonlarından türetilir; tasarım, dalgalanmaları karşılamak için $v_f$’nin %70-85’inde çalışarak şu çapı verir:

$$D = \sqrt{\frac{4V}{\pi \cdot 0.8 v_f}}$$

Petrokimya üniteleri için bu tipik olarak 2-10 metredir. Bu, sürüklenmenin %10’u aşmamasını sağlayarak kapasiteyi garanti eder.^(86)(85)

Petrokimya rafinerisinde, ham petrol için atmosferik damıtma ünitesi bu ilkeleri örnekler; önceden ısıtılmış beslemeyi fraksiyonlarına ayırmak için tek geçişli bir konfigürasyonda 30-50 elek tepsisi kullanarak nafta (üst 5-10 tepsi), kerosen (orta bölüm), dizel ve atmosferik kalıntıya (dip) ayırır; yan pompalamalar (pumparounds) ayrılmayı ve ısı geri kazanımını artırır.⁽⁹²⁾

Azeotropik ve Basınç Salınımlı Damıtma

Azeotropik damıtma, bileşenlerle üçlü (ternary) bir azeotrop oluşturan, böylece buhar-sıvı dengesini (VLE) değiştiren ve saf bir bileşenin geri kazanılmasını sağlayan hafif bir sürükleyici (entrainer) ekleyerek azeotrop oluşturan ikili karışımları ayırma zorluğunu ele alır. Ancak, benzenin insan kanserojeni olarak sınıflandırılması, çağdaş süreçlerde daha güvenli alternatiflerle değiştirilmesine yol açmıştır.⁽⁹³⁾ Sürükleyici tipik olarak, yoğunlaşmadan sonra dekantasyon (çökeltme) yoluyla ayrılabilen heterojen bir minimum kaynama noktalı azeotrop oluşturma yeteneği için seçilir ve işlemin ikili azeotropik sınırlamayı atlamasına izin verir. Klasik bir örnek, sürükleyici olarak benzen kullanılarak etanol-su karışımlarının dehidrasyonudur; burada benzen, etanol ve su ile üçlü bir azeotrop oluşturarak dipte neredeyse susuz etanol üretimine izin verirken, tepe üçlü karışımı benzen ve suyu geri dönüştürmek için fazlarına ayrılır.⁽⁹⁴⁾ Bu yöntem, sürükleyici uçuculuk farkını artırdığı için minimum kaynama noktalı azeotroplar için özellikle etkilidir, ancak safsızlıkların veya aşırı enerji taleplerinin oluşmasını önlemek için dikkatli seçim gerektirir.⁽⁹⁵⁾

Azeotropik süreçlerin bir varyantı olan ekstraktif damıtma, bileşenlerle seçici olarak etkileşime girmek ve yeni bir azeotrop oluşturmadan bağıl uçuculuklarını değiştirmek için kolonun üst kısmına yakın bir yerden verilen etilen glikol (EG) gibi ağır bir sürükleyici kullanır.⁽⁹⁶⁾ Sürükleyicinin daha yüksek kaynama noktası, daha ağır bileşenle birlikte dip ürününden çıkmasını sağlarken (buradan sonraki bir sıyırma kolonunda geri kazanılabilir), daha hafif bileşen distilat olarak elde edilir. Örneğin, etanol-su ayrılmasında, EG su ile tercihen hidrojen bağı kurarak etanolün suya göre bağıl uçuculuğunu artırır ve %99’un üzerinde saf etanol elde edilir.⁽⁹⁷⁾ Bu yaklaşım, seçiciliği optimize etmek ve enerji girdisini en aza indirmek için genellikle karışık çözücüler kullanılarak sürükleyicinin çözücülük özelliklerinin ayarlanabildiği sistemler için avantajlıdır.⁽⁹⁸⁾

Basınç salınımlı (pressure-swing) damıtma, VLE’nin sıcaklık bağımlılığı nedeniyle azeotropik bileşimin işletme basıncındaki değişikliklerle önemli ölçüde kaydığı belirli azeotropların basınç hassasiyetinden yararlanır.⁽⁹⁹⁾ Bu döngüsel süreçte, iki kolon farklı basınçlarda çalışır: yüksek basınçlı kolon, azeotropik noktasında daha uçucu bileşence zenginleştirilmiş bir distilat üretir; bu daha sonra damıtma sınırını geçmek ve daha saf ürünler elde etmek için düşük basınçlı kolona beslenir. Temsili bir vaka, tetrahidrofuran (THF)-su ayrılmasıdır; burada azeotrop 1 barda %94 ağırlıkça THF’den 8 barda yaklaşık %96 ağırlıkça THF’ye değişir ve optimize edilmiş basınç seçimi yoluyla tek basınçlı operasyona kıyasla %50’ye varan enerji tasarrufu ile tam dehidrasyona izin verir.^(100)(101) Yöntem, basınca duyarlı minimum kaynama noktalı azeotroplar için idealdir ancak basınç döngüsünü ve ısı entegrasyonunu yönetmek için sağlam bir kontrol gerektirir.⁽¹⁰²⁾

Kesikli operasyonlar için, tek yönlü basınç manipülasyonu, damıtma sırasında kolon basıncını kademeli olarak değiştirerek azeotropu kısmen kırmayı içerir; bu da tam döngüleme olmadan sabit basınç sınırının ötesinde aşamalı zenginleşmeyi mümkün kılar.⁽¹⁰³⁾ Bu teknik, sürekli basınç salınımı kurulumlarının pratik olmadığı orta ölçekli süreçlerde uygulanır ve kalıntı bileşiminin uygulanabilir ayırma bölgelerini kesen değiştirilmiş kalıntı eğrilerini izlemesine izin verir. Hem azeotropik hem de basınç salınımlı yöntemler için süreç fizibilitesi, Rayleigh damıtması altındaki sıvı bileşimlerinin yörüngelerini çizen, azeotropların dayattığı damıtma sınırlarını ortaya koyan ve kolon sıralamasını yönlendiren kalıntı eğrisi haritaları (Residue Curve Maps – RCM) kullanılarak değerlendirilir.⁽¹⁰⁴⁾ RCM analizinde, saf düğümlerin, eyer noktalarının ve azeotropik düğümlerin konumu, uçuculuk sıralamasını ve bir sürükleyicinin veya basınç değişiminin besleme bileşimlerini istenen ürünlere bağlayıp bağlayamayacağını belirler; bu genellikle çok bileşenli sistemler için üçlü (ternary) diyagramlarda görselleştirilir.⁽⁹⁵⁾

Tarihsel olarak, benzen ile azeotropik damıtma, %95-99 ağırlıkça etanol üretmek için endüstriyel etanol dehidrasyonunda kullanıldı; bu daha sonra, gözenek boyutu dışlaması yoluyla artık suyu seçici olarak uzaklaştıran kolon sonrası adsorpsiyon ünitesinde 3A zeolitler gibi moleküler elekler kullanılarak susuz seviyelere (>%99.9) kadar saflaştırıldı. Benzenin toksisitesi nedeniyle, modern endüstriyel süreçler (2025 itibariyle) son dehidrasyon için öncelikle moleküler eleklerle adsorpsiyon, pervaporasyon veya membran teknolojilerini kullanmaktadır.^{(105)(106)(107)} Bu hibrit yaklaşım, yakıt sınıfı spesifikasyonlara ulaşırken sürükleyici kullanımını en aza indirir ve elekler sürekli çalışmayı sürdürmek için vakumlu ısıtma ile rejenere edilir.⁽¹⁰⁷⁾

Enerji Verimli Varyantlar

Çok etkili damıtma (Multi-effect distillation – MED), özellikle tuz giderme (desalination) için endüstriyel ayırma süreçlerinde temel bir enerji verimli yaklaşımı temsil eder; burada çoklu buharlaştırma aşamaları veya “etkileri”, aşamalı olarak azalan basınç ve sıcaklıklarda seri halde çalışır. Bu konfigürasyonda, deniz suyu veya tuzlu su (brine) ilk etkiye verilir ve burada buhar üretmek için ısıtılır; bu buhar daha sonra bir sonraki etkide yoğunlaşarak daha fazla beslemeyi buharlaştırmak için gizli ısısını serbest bırakır, böylece termal enerjiyi aşamalar boyunca yeniden kullanır.⁽¹⁰⁸⁾ Ticari sistemler genellikle kireçlenme ve korozyonu en aza indirmek için atmosfer basıncına yakın çalışan son aşama ile birlikte 8 ila 14 etkiye sahiptir. Sürecin verimliliği, üretilen toplam distilatın termal enerji girdisine oranı olarak tanımlanan ve tipik olarak buhar enerjisi birimi başına kilogram distilat olarak ifade edilen Kazanılan Çıktı Oranı (Gained Output Ratio – GOR) ile nicelendirilir; optimize edilmiş tesislerde 10 veya daha yüksek değerler elde edilebilir.⁽¹⁰⁹⁾

Isı entegrasyonlu tasarımlar, bileşik sıcaklık-entalpi eğrileri aracılığıyla ısıtma ve soğutma hizmetleri için minimum enerji hedeflerini belirleyen sistematik bir termodinamik teknik olan “Pinch analizi”ni uygulayarak damıtmada enerji verimliliğini daha da artırır. Damıtma kolonlarında Pinch analizi, harici hizmet taleplerini en aza indirmek için çapraz-pinch ısı transferinden kaçınarak, sıcak ve soğuk akışları pinch sıcaklığının üstünde ve altında eşleştirerek ısı eşanjörü ağlarını optimize eder. Örneğin, bir ham petrol damıtma ünitesinin bu yöntem kullanılarak yenilenmesi (retrofitting), ısı hizmeti tüketimini %45’e kadar azaltarak işletme maliyetlerini ve emisyonları önemli ölçüde düşürebilir.⁽¹¹⁰⁾

Membran damıtma, ısıtılmış sulu bir beslemeden daha soğuk bir süzüntü (permeate) tarafına buhar taşınmasını kolaylaştırmak için hidrofobik mikro gözenekli membranlardan yararlanarak düşük enerjili bir alternatif sunar; genellikle seçici ayırma için pervaporasyon ilkeleriyle entegre edilir. Tipik olarak politetrafloroetilen (PTFE) veya poliviniliden florür (PVDF) gibi malzemelerden yapılan membranlar, transmembran buhar basıncı gradyanı tarafından yönlendirilen buhar geçişine izin verirken sıvı penetrasyonunu önler. Bu tür sistemlerdeki süzüntü akısı (flux), çözelti-difüzyon modelini izler ve şu şekilde verilir:

$$J = \frac{D \Delta C}{\delta}$$

Burada $J$ akı, $D$ membrandaki geçirgenin difüzyon katsayısı, $\Delta C$ membran boyunca konsantrasyon farkı ve $\delta$ membran kalınlığıdır; bu denklem, daha ince membranların ve daha yüksek difüzivitenin verimi (throughput) nasıl artırdığını vurgular.⁽¹¹¹⁾ Uygulamalar arasında tuzlu suların konsantre edilmesi veya uçucu maddelerin geri kazanılması yer alır; enerji kullanımı yüksek basınçlı pompalamadan ziyade öncelikle beslemenin ısıtılması içindir.⁽¹¹²⁾

Bölme duvarlı kolonlar (Dividing-wall columns – DWCs), iki geleneksel kolonu, bölümler arasında sıvı-buhar karışmasını önleyen dikey geçirimsiz bir duvarla bölünmüş tek bir kabukta bütünleştirerek, çok bileşenli ayırmalar (özellikle üçlü karışımlar) için önemli enerji tasarrufu sağlar. Besleme duvarın üzerinden girer ve bitişik bölmelerde eş zamanlı rektifikasyon ve sıyırmaya izin verir; bu da sıralı kolonlara kıyasla yeniden karıştırma kayıplarını ve kondenser/reboiler görevlerini azaltır. Hidrokarbon karışımları üzerine yapılan çalışmalar, yaklaşık %30 enerji azalması göstermektedir; bir analizde n-hekzan/n-heptan/n-oktan ayrılması için reboiler ısısında %22.6 tasarruf ve toplam yıllık maliyetlerde %23 düşüş bildirilmiştir.⁽¹¹³⁾

Termal buhar sıkıştırmalı çok etkili damıtma (MED-TVC) gibi yenilenebilir veya gelişmiş sıkıştırmayı içeren varyantlar, son etkiden gelen düşük basınçlı buharı sıkıştırmak için buhar ejektörleri kullanarak, bunun ilk etkide daha yüksek basınçta ısıtma buharı olarak yeniden kullanılmasını sağlayarak tuz gidermede verimliliği artırır. Genellikle güneş termal enerjisi veya atık ısı ile güçlendirilen bu hibrit yaklaşım, kirlenmeyi (fouling) engellemek için 70°C’nin altındaki tuzlu su sıcaklıklarında çalışırken 12’yi aşan GOR değerlerine ulaşır. MED-TVC kullanan büyük ölçekli deniz suyu tuz giderme tesisleri, entegre enerji üretimi ile kurak bölgelere hizmet veren kurulumlarda görüldüğü gibi, 10 veya daha fazla etki ile günde 100.000 m³/gün kapasiteyi rutin olarak aşmaktadır.^(114)(115)

Uygulamalar

Petrokimya ve Kimya Endüstrileri

Petrokimya ve kimya endüstrilerinde damıtma, hidrokarbonların ve çözücülerin büyük ölçekli ayrılması için bir temel taşı görevi görür ve ham petrol ve türev akışlardan yakıtların, hammaddelerin ve ara ürünlerin üretimini sağlar. Atmosferik damıtma, ham petrolün ısıtıldığı ve kaynama noktalarına göre fraksiyonlara ayrıldığı petrol rafinasyonunun ilk adımıdır; hafif gazlar, nafta (benzin harmanlama ve petrokimya beslemesi için kullanılır), kerosen (jet yakıtı için) ve dizel ve gaz yağı gibi daha ağır distilatlar elde edilir.⁽¹¹⁶⁾ Bunu, atmosferik kalıntıyı termal krakingten kaçınmak için azaltılmış basınç altında işlemek üzere vakum damıtma izler; vakum gaz yağı (ağır molekülleri benzin gibi daha hafif ürünlere parçalayan akışkan katalitik kraking üniteleri veya FCC için ana besleme) ve daha fazla yükseltme için vakum kalıntısı üretilir.⁽¹¹⁷⁾ Vakum fraksiyonlarının FCC ile bu entegrasyonu, değerli daha hafif hidrokarbonların verimini maksimize ederek genel rafineri verimliliğini artırır.

Petrokimya üretiminde damıtma, buhar kraking (steam cracking) akışlarından olefinlerin izole edilmesi için esastır. Buhar kraking üniteleri, nafta veya etan gibi hidrokarbonları termal olarak etilen ve propilene ayrıştırır; bunlar daha sonra kaynama noktalarının yakınlığından yararlanmak için düşük sıcaklık ve basınçlarda çalışan kriyojenik damıtma kuleleri aracılığıyla ayrılarak %99.5’i aşan polimer sınıfı saflıklara ulaşır.⁽¹¹⁸⁾ Aromatikler için, BTX (benzen, toluen, ksilen) geri kazanımı, sülfolan gibi polar bir çözücünün reformat veya piroliz benzin beslemelerinden aromatikleri seçici olarak çıkardığı ekstraktif damıtmayı içerir; bunu plastiklerde, çözücülerde ve yakıtlarda kullanım için BTX bileşenlerini sıyırmak ve saflaştırmak için damıtma izler.⁽¹¹⁹⁾

Damıtma aynı zamanda monomerlerin saflaştırılması ve çözücülerin geri kazanılması gibi hassas kimyasalların sentezinde de kritik bir rol oynar. Stiren üretiminde, etilbenzen dehidrojenasyonundan elde edilen ham stiren, benzen ve etilbenzen gibi safsızlıkları gidermek için çoklu damıtma kolonlarından geçirilerek polistiren üretimi için monomer sınıfı stiren (>%99.7 saflık) elde edilir.⁽¹²⁰⁾ Benzer şekilde, fenol ve aseton için kümen işleminde, parçalanma ürünü karışımı, kümen geri dönüşümü, alfa-metilstiren ve asetonu ayırmak için bir dizi damıtmadan geçer; aseton, çözücüler ve kimyasal sentez için yüksek saflıkta bir distilat olarak geri kazanılır.⁽¹²¹⁾

Ekonomik olarak damıtma, sıvı karışım ayırmalarının yaklaşık %90’ını ve kimya ve petrol süreçlerindeki ABD endüstriyel enerji tüketiminin %40-50’sini oluşturarak bu sektörlerdeki ayırmalara hakimdir; damıtma tek başına, buhara ve yeniden kaynatmaya (reboiling) olan bağımlılığı nedeniyle yıllık 2-3 katrilyon BTU tüketmektedir.⁽¹²²⁾ Zorluklar arasında, gerekli saflığı elde etmek için yüzlerce tepsi ve yüksek geri devir oranları gerektiren, genellikle yüksek enerji maliyetlerine neden olan parafinler ve olefinler gibi yakın kaynama noktalı karışımların ayrılması yer alır.⁽¹²³⁾ Örneğin, damıtma yoluyla günde 9 milyon varilden fazla ham petrolü işleyen önemli bir merkez olan ABD Körfez Kıyısı rafinerileri, yüksek kapasiteli atmosferik ve vakum ünitelerini idare etmek için 100 metreye varan kuleler kullanır.^(124)(125)

Yiyecek ve İçecek Üretimi

Damıtma, fermente edilmiş pürelerden etanolü konsantre ettiği ve aynı zamanda “congener” olarak bilinen lezzet bileşiklerinin tutulmasını etkilediği alkollü içeceklerin üretiminde çok önemli bir rol oynar. Viski üretiminde, “pot still” imbikleri genellikle kesikli bir süreçte kullanılır ve bu da içkinin karmaşık lezzet profiline katkıda bulunan fuzel yağları gibi konjenerlerin daha yüksek oranda tutulmasına izin verir.⁽¹²⁶⁾ Bu geleneksel bakır imbikler, alkolü ve uçucuları buharlaştırmak için şırayı (wash) ısıtarak çalışır, ardından yoğunlaşma gerçekleşir ve tipik olarak sağlam karakterli %60-80 hacimce alkol (ABV) içeren bir içki verir.⁽¹²⁷⁾ Buna karşılık, votka üretimi, temiz bir profil için safsızlıkları ve aromaları sıyıran çoklu rektifikasyon aşamalarıyla %95 ABV’ye kadar ulaşarak, minimum konjener içeren nötr içkileri verimli bir şekilde üreten sürekli damıtma için kolon imbiklerini kullanır.⁽¹²⁸⁾ Bir tür konjener olan fuzel yağları, tutulursa meyvemsi veya çözücü benzeri notalar verebilir, ancak kalite standartlarını karşılamak için damıtma sırasında aşırı miktarları kontrol edilir.⁽¹²⁹⁾

İçkilerin ötesinde, damıtma, özellikle uçucu bileşikleri koruyan yöntemler aracılığıyla yiyecek ve içecek uygulamaları için çok önemli olan uçucu yağları ve aromaları çıkarır. Buhar damıtma (steam distillation), narenciye kabukları için yaygın olarak kullanılır; burada buhar, limonen gibi yağları uçurmak için bitki materyalinden geçer, daha sonra yoğunlaştırılır ve hidrosolden ayrılarak hassas aromatiklerin termal bozulması olmadan yüksek saflıkta özler verir.⁽¹³⁰⁾ Isıya duyarlı otlar için, yüksek vakum ve düşük sıcaklıklarda çalışan moleküler damıtma, bitkisel likörler veya baharatlar gibi ürünlerde oksidasyonu en aza indirerek ve nüanslı profilleri koruyarak hassas lezzet moleküllerinin nazikçe ayrılmasını sağlar.⁽¹³¹⁾ Bu teknikler, uçucu yağların duyusal niteliklerini korumasını sağlarken, buhar yöntemleri özellikle büyük ölçekli narenciye işleme için ekonomiktir.⁽¹³²⁾

Alkolsüz bağlamlarda, alternatif ayırma teknikleri hassas uzaklaştırmalar sağlayarak gıda işlemeyi destekler. Kahve kafeinsizleştirme işlemi genellikle süperkritik karbondioksit (CO2) ekstraksiyonunu kullanır; bu, 73 atm ve 31°C’nin üzerindeki yüksek basınç altındaki CO2’nin yeşil çekirdeklerden kafeinin %95-99’unu seçici olarak uzaklaştırmak için bir çözücü görevi gördüğü bir süreçtir; kafein yüklü CO2 daha sonra soğutulur, sıvılaştırılır ve kafeini adsorbe etmek için aktif karbondan geçirilir, CO2 buharlaştırılır ve geri dönüştürülür, böylece lezzet bütünlüğü korunmuş kafeinsiz çekirdekler elde edilir.⁽¹³³⁾ Benzer şekilde, akçaağaç şurubu üretimi, özsuyu konsantrasyonu için öncelikle buharlaştırmaya dayanırken, karamelizasyon olmadan uçucu bileşikleri konsantre ederek esanslar için saf akçaağaç aromalarını çıkarmak amacıyla buhar damıtma uygulanır.⁽¹³⁴⁾

Düzenleyici çerçeveler, özellikle alkol içeriği ve kalitesiyle ilgili olarak güvenliği ve tutarlılığı sağlamak için yiyecek ve içecek üretiminde damıtmayı yönetir. Amerika Birleşik Devletleri’nde, Alkol ve Tütün Vergisi ve Ticaret Bürosu (TTB), damıtılmış içki etiketlerinin, ayırma sonrası etanol hacmini ölçen hassas damıtma tabanlı kanıtlama (proofing) yöntemleriyle belirlenen %0.3 toleranslı ABV’yi belirtmesini zorunlu kılar.⁽¹³⁵⁾ Fuzel yağları gibi konjenerler, organoleptik kalite standartları aracılığıyla dolaylı olarak düzenlenir, çünkü yüksek seviyeler tadı ve %0.5 ABV’yi aşan içeceklerdeki sağlık uyarılarına uyumu etkileyebilir.⁽¹³⁶⁾ Damıtımevlerindeki sürdürülebilirlik çabaları verimliliği daha da artırır; örneğin, şeker kamışından biyoetanol üretimi, fermente edilmiş melasın çok kolonlu damıtılmasını içerir; burada atık ısı geri kazanım sistemleri, beslemeleri önceden ısıtmak için buharları yakalayarak entegre süreçlerde önemli enerji indirimleri sağlar.⁽¹³⁷⁾

Temsili örnekler bu uygulamaları göstermektedir. Auchentoshan damıtımevinden gelenler gibi İskoç viskisi, maltlanmış arpa şırasından gelen ince konjenerleri korurken aromaları rafine etmek için üçlü pot still damıtmasından geçer.⁽¹³⁸⁾ Rom üretimi tipik olarak melas fermantasyonu ile başlar, ardından alkolü %40-80 ABV’ye konsantre etmek için pot veya kolon damıtma yapılır ve şeker kamışı yan ürününe özgü karamel ve tropikal notalar korunur.⁽¹³⁹⁾ Bu yöntemler, damıtmanın tüketim mallarında verimlilik, lezzet koruma ve düzenleyici uyum dengesini vurgular.

İlaçlar ve Çevresel Kullanımlar

İlaç endüstrisinde damıtma, enjekte edilebilirler gibi formülasyonlar için katı saflık gereksinimlerini karşılamak üzere aktif farmasötik bileşenlerin (API’ler) saflaştırılmasında çok önemli bir rol oynar. Ayrımsal damıtma (fraksiyonel distilasyon), yakın kaynama noktalarına sahip bileşenleri ayırmak için kullanılır ve genellikle ısıya duyarlı bileşikleri işlemek ve yüksek saflıkta çıktılar elde etmek için ekstraktif veya vakum teknikleriyle entegre edilir.^(140)(141) Vakum damıtma, kaynama noktalarını düşürerek, termal olarak kararsız API’lerin bozulmayı en aza indirirken nazikçe ayrılmasını sağlar.^(142)(143)

Steril su üretimi, özellikle enjeksiyonluk su (WFI), Birleşik Devletler Farmakopesi (USP) gibi farmakope standartlarıyla uyumlu pirojensiz su üretmek için çok etkili damıtmaya dayanır. Bu süreç, enerji verimliliğini artırmak ve bakteriyel endotoksin seviyelerinin 0.25 EU/mL’nin altında olmasını sağlamak için önceki aşamalardan gelen atık ısıyı kullanarak çoklu etkiler boyunca sıralı buharlaşma ve yoğunlaşmayı içerir.^{(144)(145)(146)} Çok etkili imbikler gibi sistemler, saflaştırılmış besleme suyunu buharlaştırıp sonraki etkilerde yoğunlaştırarak, iletkenlik ve toplam organik karbon sınırları için USP <1231> yönergelerini karşılayan WFI üretir.^(147)(148)

Çevresel uygulamalarda damıtma, uçucu organik bileşiklerin (VOC’ler) atmosferik salınımı önlemek ve yeniden kullanımı sağlamak için vakum veya membran destekli süreçler yoluyla atıklardan sıyrıldığı atık su arıtımını kolaylaştırır. Örneğin membran damıtma, suyu seçici olarak buharlaştırmak için hidrofobik membranlar kullanır ve kirleticileri daha fazla bertaraf için konsantre ederken %90’ın üzerinde VOC reddi sağlar.⁽¹⁴⁹⁾ Tuz giderme (desalination) için, çok aşamalı flaş veya çok etkili damıtma gibi termal damıtma yöntemleri, acı veya deniz suyu kaynaklarından temiz su üretir, tuzların %99’una kadarını geri kazanır ve içilebilir veya endüstriyel kalitede çıktı sağlayarak su kıtlığı çeken bölgeleri destekler.^(150)(151)

Damıtma, seyreltik sulu çözeltileri (tipik olarak %5-12 etanol) %99.5 saflığı aşan susuz derecelere konsantre eden çok kolonlu fraksiyonel kurulumlar aracılığıyla fermantasyon sıvılarından etanolü saflaştıran biyoyakıt üretiminin ayrılmaz bir parçasıdır. Bu, fuzel yağlarını çıkarmak için bira sıyırmayı (beer stripping) ve ardından rektifikasyonu içerir; önemli miktarda enerji tüketir ancak biyokütle hammaddelerinden ölçeklenebilir biyoetanol çıktısı sağlar.^(152)(153) Biyodizel işlemede, vakum damıtma, ham akışlardan artık gliserolü sıyırır, yan ürünü endüstriyel yeniden kullanım için saflaştırırken metanolü geri dönüşüm için geri kazanır, böylece transesterifikasyon operasyonlarında atığı azaltır.^(154)(155)

Gelişmekte olan kullanımlar arasında, damıtma bazlı sıyırmanın absorpsiyon-desorpsiyon döngülerinde amin çözücülerini rejenere ettiği CO2 yakalama yer alır; zengin amin çözeltileri, yakalanan CO2’yi serbest bırakmak için 100-140°C’ye ısıtılır ve enerji talepleri 4 GJ/ton CO2’ye kadar çıkar ancak çoklu basınç konfigürasyonlarıyla optimize edilir.^(156)(157) Endüstriyel atık geri dönüşümü için sıfır sıvı deşarjı (ZLD) sistemlerinde, damıtma, yüksek TDS’li atıklardan suyun %95-99’unu geri kazanmak için buharlaşma ve kristalleşme ile bütünleşir, deşarjı en aza indirirken kapalı döngü süreçlerde yeniden kullanım için distilat üretir.^(158)(159)