تقطیر جز به جز چیست؟
تقطیر جز به جز به جداسازی یک مخلوط به اجزای مختلف می‌گویند. ترکیبات شیمیایی را حرارت می‌دهند تا به دمایی برسند که یک یا چند «برش» یا در لاتین (Fraction) از ماده تبخیر شود. در حقیقت ، اجزای ماده شیمیایی مورد نظر، نقطه جوشی دارند که اختلاف نقطه جوش این اجزا از یکدیگر، کمتر از ۲۵ درجه سانتیگراد است. اگر این اختلاف، بیش از ۲۵ درجه سانتیگراد باشد، استفاده از یک جداسازی ساده کفایت میکند.
این نوع تقطیر برای خالص سازی مواد شیمیایی و جداسازی اجزای مختلف یک ماده شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آن در صنعت و آزمایشگاه بهره می‌گیرند. این روش، مزایای اقتصادی فراوانی دارد به طوریکه صنایع نفتی و شیمیایی، همگی برای تولیدات خود و فروش آنها، بر این روش تکیه دارند.
تئوری و شکل آزمایش تقطیر جز به جز
بخارهای حاصل از یک محلول در حال جوشیدن، از یک ستون مرتفع موسوم به «برج تقطیر» (Fractionating Column) عبور می‌کنند. این ستون از گلوله های پلاستیکی یا شیشه‌ای پر شده است تا با افزایش سطح، امکان میعان و تبخیر بیشتر را فراهم کند. دمای این ستون در طول آن به ترتیب کاهش می‌یابد و اجزا با نقطه جوش بیشتر، در ستون، مایع و دوباره به محلول وارد می‌شوند. اجزایی که نقطه جوش کمتری دارند، فرارتر هستند و با گذر از ستون، در محلی جمع‌آوری می‌شوند.
به عبارت ساده تر، هرقدر گازها به طرف بالای ستون (برج) حرکت کنند ، دما کاهش پیدا میکند. با کاهش دما، اجزای ماده شیمیایی، در سطوح مختلفی، مایع و جمع‌آوری می شوند. به طور کلی، هرقدر مقدار گلوله ها بیشتر باشد، جداسازی بهتری خواهیم داشت. البته اضافه کردن گلوله ها یا سینی (بشقابک) به ستون تقطیر، زمان و انرژی مورد نیاز برای فرآیند جداسازی جزء به جزء را افزایش می‌دهد. فرآیند عصاره گیری جز به جز فرآیندی ساده اما قدرتمند است چراکه می تواند تمامی ترکیبات مختلف و پیچیده نفت خام را از یکدیگر جدا کند.
در حقیقت، به کمک یک تقطیر ساده نمی‌توان موادی که نقطه جوش نزدیکی دارند را از یکدیگر جدا کرد. همانطور که در بالا هم به آن اشاره شد، زمانی که اختلاف نقطه جوش مواد، زیر ۲۵ درجه باشد، از تقطیر جز به جز استفاده می کنیم. استفاده از یک ستون تقطیر سبب میشود تا بسیاری از فرآیند های تقطیر به یکباره انجام شوند و نیاز به تغییر ساختار دستگاه آزمایش هم نباشد. ستون های جداسازی، انواع مختلفی دارند که داخل آن ها با موادی پر شده است.
مواد داخل ستون تقطیر، سطح تماسی دارند که بخارات در تماس با آن ها مایع می شوند. گرمای فرآیند تقطیر نیز مجددا قطرات مایع را تبخیر میکند. هرکدام از فرآیندهای تبخیر و میعان، همچون یک جداسازی ساده عمل می کنند و هر کدام از مواد که نقطه جوش کمتری داشته باشند، زودتر جداسازی می شوند.
مفهوم جداسازی جز به جز را می توان به کمک نمودار تقطیر نشان داد. یکی از این نمودارها، در تصویر زیر دیده می شود. در جداسازی یک مخلوط دو جزئی A+B، با تعداد مول برابر، یکی از رویداد های تبخیر-میعان به کمک نقاط a تا c نشان داده شده است. این فرآیند نشان دهنده یک «سینی نظری» (Theoretical Plate) و تقطیر آن ۸۱ درصد A و ۱۹ درصد B بدست می‌دهد. در این نمودار، رویداد تقطیر و میعان دیگری نیز مشاهده می شود که از نقطه c شروع و به نقطه d ختم شده است که تقطیری با 96 درصد A و 4 درصد B تولید میکند.
شرح آزمایش تقطیر جز به جز
همانطور که گفته شد، زمانی که اختلاف نقطه جوش اجزای مختلف یک ماده از یکدیگر کم باشند، از جداسازی جز به جز استفاده می شود. برای انجام این روش در آزمایشگاه، به یک چراغ بونزن ، یک بالن ته گرد ، یک «کندانسور» (Condenser) و یک ستون تقطیر نیاز داریم.
به عنوان نمونه، جدا کردن مخلوطی از آب و اتانول را در نظر بگیرید. اتانول در دمای 78/4 درجه سانتیگراد می‌جوشد درحالیکه نقطه جوش آب ۱۰۰ درجه است. بنابراین، با حرارت دادن مخلوط ، جزء فرارتر (اتانول) شروع به تبخیر میکند. در اینجا لازم به ذکر است که بگوییم برخی مخلوط‌ها به هنگام اختلاط، «آزئوتروپ‌ها» (Azeotropes) را تشکیل می‌دهند. این نوع از مخلوط‌ها در دمای پایین‌تری نسبت به هر جزء می‌جوشند.
در این مثال، مخلوطی از ۹۶ درصد اتانول و ۴ درصد آب، در دمای 78/2 درجه سانتیگراد به نقطه جوش خود می‌رسد که پایین‌تر از نقطه جوش آب و اتانول است. به همین دلیل، اتانول را نمی‌توان به صورت کامل و از طریق جداسازی جز به جز خالص‌سازی کرد. به طور معمول، دستگاه تقطیر جز به جز در آزمایشگاه، شامل یک لوله شیشه ای است که داخل آن اشکال مارپیچی به قطر ۴-۷ میلی‌متر وجود دارد. این ستون را می توان به کمک تقطیر جز به جز یک ماده مشخص، کالیبره کرد.
مزایای تقطیر جزء به جزء
- اجرای آن آسان است: یکی از بزرگترین مزایای تقطیر جز به جز ، سهولت استفاده از آن است. تا زمانی که یک سیستم کاملاً کاربردی و کاملاً طراحی شده راه اندازی شده باشد ، می توانید آن را همانطور که هست برای انجام کارها به حال خود رها کنید. برای اطمینان از عملکرد صحیح سیستم ، فقط باید سیستم را مرتباً بررسی کنید ، بفهمید که آیا به تعمیر نیاز دارد و یا هر آنچه نیاز به رفع آن است را برطرف کنید. تنظیمات تقطیر جز به جز مدرن با استفاده از ریزپردازنده ها به صورت خودکار انجام میشود که این کار روند را حتی ساده تر میکند.
- بسیار کارآمد است: با آزمایش های بی شماری و فرآیندهای واقعی اثبات شده است که این روش بسیار موثر می باشد. در حقیقت ، در بسیاری از محیط های صنعتی برای ایجاد محصولاتی که جامعه مدرن به آنها نیاز دارد ، به طور گسترده استفاده میشود.
- به تولید سوخت مورد نیاز کمک می کند: از تقطیر جز به جز برای تصفیه نفت خام و تولید گازوئیل ، نفت سفید ، بنزین ، نفتا (که در ایجاد مواد شیمیایی استفاده می شود) و قیر (که برای سقف ها و جاده ها استفاده می شود) استفاده می شود. با این حساب ، به راحتی میتوان نتیجه گرفت که این روش به پیشرفت و نوسازی زندگی بشر کمک زیادی کرده است.