آشنایی با روش های تفکیک و تخلیص ترکیبات آلی
آشنایی با روش های تفکیک و تخلیص ترکیبات آلی
شیمی-مقالاتنگاه کلی
شیمیدان آلی باتجربه به ندرت واكنش هایی را می یابد كه فقط محصول (یا محصولات)مورد نظرش را تولید كند.علت این عمل آن است كه در مخلوط واكنش همراه با محصول مورد نظر مقادیر مختلفی از مواد اولیه تغییر نیافته و حلال ومحصول واكنشهای جانبی كه همزمان با واكنش اصلی انجام می شوند وجود دارد.
شیمیدان نیروی زیادی را صرف می كند تا محصول مورد نظر را از چنین ناخالصی هایی جدا كند.هدف از این تحقیق ارائه روشهای مهمی است كه شیمیدان امروزی جهت تفكیك و تخلیص تركیبات آلی به كار برد.
تقطیر (distillation)
روشهای مختلفی برای جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول وجود دارد که یکی از این روشها فرایند تقطیر می‌باشد در روش تقطیر جداکردن اجزاء یک مخلوط ، از روی اختلاف نقطه جوش آنها انجام می‌گیردتقطیر ، در واقع ، جداسازی فیزیکی برشهای نفتی است که اساس آن ، اختلاف در نقطه جوش هیدروکربنهای مختلف است. هر چه هیدروکربن سنگینتر باشد، نقطه جوش آن زیاد است و هر چه هیدروکربن سبکتر باشد، زودتر خارج میشود.. تقطیر در عمل به دو روش زیر انجام میگیرد. روش اول شامل تولید بخار از طریق جوشاندن یک مخلوط مایع ، سپس میعان بخار ، بدون اینکه هیچ مایعی مجددا به محفظه تقطیر بازگردد. در نتیجه هیچ مایع برگشتی وجود ندارد. در روش دوم قسمتی از بخار مایع شده به دستگاه تقطیر باز می‌گردد و به صورتی که این مایع برگشتی در مجاورت بخاری که به طرف مبرد میرود قرار میگیرد. هر کدام از این روشها می‌توانند پیوسته یا ناپیوسته باشند.
تقطیر، معمولترین روشی است که برای تخلیص مایعات به کار می رود. دراین عمل مایع را به کمک حرارت تبخیر می کنند و بخار مربوطه را در ظرف جداگانه ای متراکم می کنند و محصول تقطیر را بدست می آورند. چنانچه ناخالصیهای موجود در مایع اولیه فرار نباشند، در باقی مانده تقطیر به جا می مانند و تقطیر ساده جسم را خالص می کند. در صورتی که ناخالصیها فرار باشند، تقطیر جزء به جزء مورد احتیاج خواهد بود.
چنانچه ناخالصی های موجود در مایع اولیه فرار نباشد در باقیمانده تقطیر به جا می ماند و تقطیر ساده نمونه را خالص می كند.در صورتیكه فرار باشند تقطیر جز به جز مورد نیاز خواهد بود.اگر فقط یك ماده فرار بوده و اختلاف نقطه جوش این ماده با ناخالصی های موجود در آن زیاد باشد (حدود 30درجه)می توان برای جدا كردن این ماده از ناخالصی ها از تقطیر ساده استفاده نمود.از تقطیر ساده معمولا د جداسازی مخلوط مایعاتی استفاده می شود كه نقطه یجوشی در محدوده 40تا150درجه دارندزیرا در دمای بالاتر از 150درجه بسیاری از تركیبات آلی تجزیه می شوندودر دمای جوش كمتر از 40درجه مقدار زیادی از مایع در ضمن تقطیرهدر می رود.
در تقطیر مخلوطی ازدو یا چند جسم فشاربخار كل تابعی از فشار بخار هر یك از اجزا و كسر مولی آنه می باشد. بر اساس قانون رائول فشار بخار جزیی یك تركیب فرار در یك محلول ایده آل با حاصلضرب فشار بخار در كسر مولی آن برابر است.بنابراین در بخار موجود بر سطح دو یا چند جزمحلول فرار ذرات كلیه اجزا شركت كننده در محلول یافت می شود.رابطهی بین فشار بخار كل(Pt)با فشار جزیی (Pi)و كسر مولی اجزا(Xi)به صورت زیر است:
....+Pt=PaXa+PbXb+PcXcنكته:اگر در محلولی شامل دو ماده شیمیایی فرار یك جز دارای فشار بخار بیشتری از جز دیگر باشد بخار حاصل از آن در مقایسه با مایع دارای درصد بیشتری از جسم فرارتر خواهد بود.
ظروف معمولی در خلل و شكاف های جدار خود دارای بسته ها ی هوای محبوس می باشند.با ریختن مایع در ظرف محفظه بسته ها از بخار پر می شود.وقتی كه دمای مایع افزایش می یابد بخار آنقدر به حالت متراكم باقی می ماند تا اینكه از فشار بخار روی مایع بیشتر شود.در این حالت بخار به دام افتاده افزایش حجم پیدا می كند و به صورت حباب هایی به سطح مایع رسیده و خارج می گردد. حالت به هم خوردگی حاصل از حباب ها (جوش)حباب های هوای بیشتری را به داخل مایع كشانده و فرایند با تشكیل بخار ادامه می یابد.
با حرارت دادن مایعات درظروف شیشه ای كه دارای سطوحی نسبتا صاف و یكنواخت می باشند حالت جوش ایجاد نمی شود و اگر درجه حرارت به اندازه كافی افزایش یابد به حالت انفجاری تبخیر می گردند.برای اجتناب از خطرات مربوط به جوشش ناگهانی (به صورت ضربه ای)منبعی برای دمیدن حباب ها به درون مایع قبل از حرارت دادن و عمل جوش لازم است. در شرایط معمولی (فشارجو)این منبع سنگ جوش می باشد.سنگ جوش دانه هایی حاوی خلل ریز در خود بوده كه در آن مولكولهای هوا حبس شده اند.با قرار گرفتن این دانه ها در حلول حباب ها از سطح آنها تشكیل شده واز جوشیدن انفجاری و تاخیر در جوش جلوگیری می نماید.
در ادامه به معرفی انواع روشهای تقطیر و توضیح اجمالی در ارتباط با آنها پرداخته ایم:
انواع تقطیر
تقطیر ساده
به عنوان مثال هنگامیكه ناخالصی غیر فراری مانند شكر به مایع خالصی اضافه می شود فشار بخار مایع تنزل می یابد.علت این عمل آن است كه وجود جز غیر فرار به مقدار زیادی غلظت جز اصلی فرار را پایین می آورد یعنی دیگر تمام مولكولهایی كه در سطح مایع موجودند مولكولهای جسم فرار نیستند و بدین ترتیب قابلیت تبخیر مایع كم می شود.
تقطیر ساده را می توان به دوصورت تعریف كرد:1
-تقطیر ساده غیر مداوم2
-تقطیر ساده مداوم
• تقطیر ساده غیر مداوم :
در این روش تقطیر ، مخلوط حرارت داده میشود تا بحال جوش درآید بخارهایی که تشکیل میشود غنی از جزء سبک مخلوط می‌باشد پس از عبور از کندانسورها (میعان کننده ها) تبدیل به مایع شده ، از سیستم تقطیر خارج می‌گردد. به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقی مانده زیاد میشود، نقطه جوش آن بتدریج بالا میرود. به این ترتیب ، هر لحظه از عمل تقطیر ، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر میکند.
• تقطیر ساده مداوم :
در این روش ، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان ، در گرم کننده گرم میشود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید، و به محض ورود در ستون تقطیر ، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا می شود و از بالای ستون تقطیر خارج می‌گردد و بعد از عبور از کندانسورها ، به صورت مایع در می‌آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج میشود. قابل ذکر است که همیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.
نكته:
در تقطیر یك ماده خالص چنانچه مایع زیاده از حد گرم نشوددرجه حرارتی كه در گرماسنج دیده می شود یعنی درجه حرارت دهانه ی خروجی با درجه حرارت مایع جوشان در ظرف تقطیر یعنی درجه حرارت ظرف یكسان است.درجه حرارت دهانه خروجی كه به این ترتیب به نقطه جوش مایع مربوط می شود در طول تقطیر ثابت می ماند.
هرگاه در مایعی تقطیر می شود ناخالصی غیر فراری موجود باشد درجه حرارت دهانه خروجی همان درجه حرارت مایع خالص است زیرا ماده ای كه بر روی حباب گرماسنج متراكم می شود به ناخالصی آلوده نیست.ولی درجه حرارت ظرف به علت كاهش فشا بخار محلول بالا می ررود. در جریان تقطیر درجه حرارت ظرف نیز افزایش می یابد.زیرا كه غلظت ناخالصی با تقطیر جز فرار به تدریج زیاد می شود و فشار بخار مایع بیشتر پایین می اید.با وجود این درجه حرارت دهانه خروجی مانند مایع خالص ثابت می ماند.رابطه كمی موجود بین فشار بخاروتركیب مخلوط همگن مایع(محلول)به قانون رائول معروف است وبه صورت معادله زیربیان می شود:
جز مولی Rبه جزیی اطلاق می شود كه تمام مولكولهای موجود در آن مولكولهای Rباشند.برای به دست آوردن این جز مولی تعداد مولهای Rدر مخلوط را بر مجموع تعداد مولهای اجزا سازنده تقسیم می كنند.معادله در زیر آمده است:
باید دانست كه در بالای محلول ایده آلی كه محتوی Rاست فشار بخار جزR فقط به جزمولی Rبستگی داردوبه هیچ وجه به فشار بخار اجزای دیگر مربوط نیست.چنانچه كلیه اجزا به غیر از Rغیر فرار باشند فشار بخار كلی مخلوط برابر با فشار جز Rاست زیرا می توان فشار بخار تركیبات غیر فرار را صفر فرض كرد.در نتیجه محصول تقطیر چنین مخلوطی همیشه Rخالص است.ولی اگر دو یا چند جز فرار باشند در این صورت فشار بخار كل برابر با مجموع فشار بخارهای جزیی هر یك از اجزای فرار خواهد شد.(قانون دالتون-در اینجا RوSوTفقط به اجزای فرار مربوط می شود):
چنین مخلوط مایعی كه در بالا توضیح داده شد تفاوت زیادی دارد زیرا در اینجا ممكن است محصول تقطیر هر یك از اجزای فراررا در بر داشته باشد.تفكیك دراین حالت احتیاج به تقطیر جز به جز دارد.چگونگی انجام تقطیر جز به جز در ادامه آمده است.
• تقطیر تبخیر آنی (ناگهانی):
وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام را حرارت می‌دهیم، اجزای تشکیل دهنده آن بترتیب که سبکتر هستند، زودتر بخار میشود. برعکس وقتی بخواهیم این بخارها را سرد و دوباره تبدیل به مایع کنیم، هر کدام که سبکتر باشد دیرتر مایع می‌گردد. با توجه به این خاصیت ، می‌توانیم نفت خام را به روش دیگری که به آن "تقطیر آنی" گویند، تقطیر نماییم. در این روش ، نفت خام را چنان حرارت می‌دهیم که ناگهان همه اجزای آن تبدیل به بخار گردد و سپس آنها را سرد می‌کنیم تا مایع شود. در اینجا ، بخارها به ترتیب سنگینی ، مایع میشوند یعنی هرچه سنگینتر باشند، زودتر مایع میگردند و بدین گونه ، اجزای نفت خام را با ترتیب مایع شدن از هم جدا می‌کنیم.
• تقطیر در خلا :
با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارد، و از طرف دیگر ، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر می‌باشد و زودتر تجزیه میگردند، لذا برای جداکردن آنها از خلا نسبی استفاده میشود. در این صورت مواد دمای پایین‌تر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می‌آیند. در نتیجه ، تقطیر در خلا ، دو فایده دارد: اول این که به انرژی و دمای کمتر نیاز است، دوم اینکه مولکولها تجزیه نمیشوند. امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر ، از خلا استفاده میشود. یعنی این که: هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلا انجام میدهند.
• تقطیر به کمک بخار آب :
یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد میکنند در این صورت بی آنکه خلاء‌ای ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر میشوند. این مورد معمولا در زمانی انجام میشود که در نقطه جوش آب ، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.
غالبابه كمك تقطیر با بخار آب می توان تركیبات آلی فراری را كه باآب مخلوط نمی شوند یا تقریبا با آن غیر قابل اختلاط هستند تفكیك و تخلیص كرد.در این روش مخلوط آب وجسم آلی با هم تقطیر می شوند.عمل تقطیر یكمخلوط غیر قابل امتزاج در صورتی كه یكی از اجزا آب باشد تقطیر با بخار آب نامیده می شود.
با توجه به اصولی كه در تقطیر با بخار آب وجود داردمی توان محاسن ومحدودیت های این روش را به بهترین وجه تشریح كرد.در مخلوطی از مواد فرار و غیر قابل اختلاط فشار جزییpiهر جز در یك درجه حرارت معین برابر با فشار بخار piتركیب خالص در همان درجه حرارت استو به جز مولی تركیب در مخلوط بستگی نداردیعنی هر یك از اجزای سازنده مخلوط به طور مستقل از اجزای دیگر تبخیر می شوند.
این حالت با مخلوط مایعات قابل اختلاط اختلاف زیادی دارد زیرا كه در این مایعات فشار جزیی هر جز سازنده به جز مولی آن در محلول مربوط است.(قانون رائول)در مخلوط تركیبات فرار وغیر قابل اختلاط بر طبق قانون دالتون فشار كلی Ptمحلول (مخلوط)گازها با مجموع فشارهای جزیی گازهای تشكیل دهنده می شودو به این ترتیب فشار بخار كلی این مخلوط از معادله زیر به دست می آید:
از این عبارت چنین ر می آید كه همواره در هر درجه حرارتی فشار بخار كل مخلوط حتی از فشار بخار فرارترین جز در آن درجه حرارت بیشتر است زیرا كه فشار بخار اجزای دیگر مخلوط هم دخالت می كنند.بنابراین باید درجه جوش مخلوط تركیبهای غیر قابل اختلاط كمتر از جزیی باشد كه كمترین نقطه جوش را دارد.درجه حرارت تقطیر با بخار آب نسبتا پایین (100درجه یا كمتراز آن)است و این تقطیر به خصوص در تخلیص موادی به كار می رود كه نسبت به حرارت حساسیت دارندودر حرارت های بالا تجزیه می شوند.هم چنین این روش برای جدا كردن تركیب از مخلوط از مخلوط واكنشی كه محتوی مقدار زیادی از مواد (قیرمانند)باشد مفید است.این مواد غیر فرار و بی مصرف در اغلب واكنشهای آلی تشكیل می شوند.تركیب درصد محصولی كه در تقطیر با بخار آب به دست می آید به وزن مولكولی تركیبات مورد تقطیر و هم چنین به فشار بخار آنها در درجه حرارت تقطیر مخلوط بستگی دارد.مخلوطی از دو جز غیر قابل اختلاط AوBرا در نظر بگیرید.چنانچه بخارهای AوBمانند گازهای ایده آل عمل می كنند با استفاده از قانون گازهای ایه آل می توان دو عبارت زیر را به دست آورد:
از تقسیم معادله اول به دوم چنین به دست می آید:
چون فاكتور RTدر صورت و مخرج كسر مساوی است و حجم اشغالی گاز برای هر دو یكسان است(VA=VB)عبارت بالا چنین می شود:
فرایند تقطیر با بخار آب در آزمایشگاه و صنعت به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرد .به عنوان مثال برای جداسازی الفاپی نن-آنیلین-نیتروبنزنوبسیاری از اسانس های طبیعی وروغن های معطر به كار می رود.به طور خلاصه تقطیر با بخار آب روشی را فراهم می كند كه به كمك آن می توان تركیبات آلی مایع و جامدی را كه فرار هستند ودر آب حل نمی شوند (یا تقریبا در آن نا محلولند)در شرایط نسبتا ملایم از تركیبات غیر فرار جدا كرد.مسلما این روش برای موادی كه در اثر تماس زیاد با آب گرم تجزیه می شوند یا با اب واكنشی می دهند یا در 100درجه فشار بخارشان 5میلی متر یا كمتر باشد مناسب نیست.
• تقطیر آزئوتروپی :
از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک باشند استفاده میشود، جداسازی مخلوط اولیه ، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی ، آزئوتوپ تشکیل میدهد امکان‌پذیر است. آزئوتروپ محصول تقطیر یا ته مانده را از ستون تشکیل میدهد و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا میکند. اغلب ، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین تشکیل میدهد که به آن شکننده آزئوتروپ می‌گویند. آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است، اما نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.
مثالی از تقطیر آزئوتروپی استفاده از بنزن برای جداسازی کامل اتانول از آب است، که آزئوتروپی با نقطه جوش پایین با 6/95% وزنی الکل را تشکیل میدهد. مخلوط آب- الکل با 95% وزنی الکل به ستون تقطیر آزئوتروپی افزوده میشود و جریان جریان غنی از بنزن از قسمت فوقانی وارد میشود. محصول ته مانده الکل تقریبا خالص است وبخار بالایی یک آزئوتروپی سه‌گانه است. این بخار مایع شده، به دو فاز تقسیم میشود. لایه آلی برگشت داده شده، لایه آلی به ستون بازیافت بنزن فرستاده میشود. همه بنزن و مقدار الکل در بخار بالایی گرفته شده، به ستون اول روانه میشوند. جریان انتهایی در ستون سوم تقطیر میشود تا آب خالص و مقداری آزئوتروپ دوگانه از آن بدست آید.
• تقطیر استخراجی :
جداسازی اجزای با نقطه جوش تقریبا یکسان از طریق تقطیر ساده مشکل است حتی اگر مخلوط ایده آل باشد و به دلیل تشکیل آزئوتروپ ، جداسازی کامل آنها غیر ممکن است برای چنین سیستم هایی با افزایش یک جزء سوم به مخلوط که باعث تغییر فراریت نسبی ترکیبات اولیه میشود، جداسازی ممکن میشود. جزء افزوده شده باید مایعی با نقطه جوش بالا باشد، قابلیت حل شدن در هر دو جزء کلیدی را داشته باشد و از لحاظ شیمیایی به یکی از آنها شبیه باشد. جزء کلیدی که به حلال بیشتر شبیه است ضریب فعالیت پایین تری از جزء دیگر محلول دارد، در نتیجه جداسازی بهبود می یابد این فرآیند ، تقطیر استخراجی نام دارد.
مثالی از تقطیر استخراجی، استفاده از فور فورال در جداسازی بوتادی‌ان و بوتن است، فورفورال که حلالی به شدت قطبی است، فعالیت بوتادی ان را بیش تر از بوتن و بوتان کم میکند و غلظت بوتادی ان وفورفورال وارد قسمت فوقانی ستون تقطیر استخراجی شود، با انجام تقطیر بوتادی ان از فورفورال جدا میشود.
• تقطیر جزء به جزء :
اجزای سازنده محلول شامل دو یاچند فرار را که از قانون رائول پیروی میکنند، میتوان با فرایند تقطیر جزء به جزء از هم جدا کرد. طبق قانون رائول ، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای سازنده آن است و سهم هر جزء برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جزء به جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است. در تقطیر محلولی از B و A ، غلظت A در بخاری که خارج شده و مایع میشود، بیش از غلظت آن در مایع باقی مانده است. با ادامه عمل تقطیر ، ترکیب درصد اجزا در بخار و مایع دائما تغییر میکند و این در هر نقطه عمومیت دارد. با جمع آوری مایعی که از سردشدن بخار حاصل میشود و از تقطیر مجدد آن و با تکراری پی در پی این عمل ، سرانجام میتوان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی واقعا خالص بدست آورد.
از نظر سهولت در اینجا فقط محلولهای ایده آل دو تایی را كه محتوی دو جز فرار RوSباشند در نظر می گیریم.محلول ایده ال به محلولی اطلاق می شود كه در آن اثرات بین مولكولهای متجانس مشابه با اثرات بین مولكولهای غیر متجانس باشد.گرچه فقط محلولهای ایده ال به طور كامل از قانون رائول پیروی می كنند ولی بسیاری از محلولهای آلی به محلولهلی ایده آل نزدیك هستند.
تقطیر جزبه جز محلول های غیر ایده ال
گرچه بیشتر مخلوط های یكنواخت مایع به صورت محلولهای ایده ال عمل می كنندولی نمونه های بسیاری وجود دارد كه نحوه عمل آنها ایده آل نیست.در این محلولها مولكولهای غیر متجانس در مجاورت یكدیگر به طور یكسان عمل نمی كنند انحراف حاصل از قانون رائول به دو روش انجام میگیرد:
بعضی از محلولها فشار بخار بیشتری از فشار بخار پیش بینی شده ظاهر می سازندوگفته می شود كه انحراف مثبت دارند. بعضی دیگر فشار بخار كمتری از فشار پیش بینی شده آشكار می كنندومی گویند كه انحراف منفی نشان می دهند.
در انحراف مثبت نیروی جاذبه بین مولكولهای مختلف دو جز سازنده ضعیف تر از نیروی جاذبه بین مولكولهای مشابه یك جز است و در نتیجه در حدود تركیب درصد معینی فشار بخار مشترك دو جز بزرگتر از فشار بخار جز خالصی می شود كه فرارتر است.بنابراین مخلوط هایی كه تركیب درصد آنها در این حدود باشد درجه جوش كمتری از هر یك از دو جز خالص دارند.مخلوطی كه در این حدود حداقل درجه جوشش را دارد باید به صورت جز سوم در نظر گرفته شود.این مخلوط نقطه جوش ثابتی دارد زیرا تركیب درصد بخاری كه در تعادل با مایع است با تركیب درصد خود مایع برابر است.چنین مخلوطی را آزئوتروپ یا مخلوط آزئوتروپ با جوشش مینی مم می نامند.از تقطیر جز به جز این مخلوط ها هر دو جز به حالت خالص به دست نمی آید بلكه جزیی كه تركیب درصد آن از تركیب درصد آزئوتروپ بیشتر باشد تولید می شود.
در انحراف منفی از قانون رائول نیروی جاذبه بین مولكولهای مختلف دو جز قویتر از نیروی جاذبه بین مولكولهای مشابه یك جز است ودر نتیجه تركیب درصد معینی فشار بخار مشترك دو جز كمتر از فشار بخار جز خالص می شودكه فرارتر است.بنابراین مخلوط هایی كه تركیب درصد آنها در این حدود باشد حتی نسبت به جز خالصی كه نقطه جوش بیشتری دارد در درجه حرارت بالاتری می جوشند.در اینجا تركیب درصد به خصوصی وجود دارد كه به آزئو تروپ با جوشش ماكسیمم مربوط می شود.تقطیر جز به جز محلولهایی كه تركیب درصدی غیر از تركیب درصد آزئوتروپ دارندباعث خروج جزیی مخلوط می شودكه تركیب درصد آن از آزئوتروپ بیشتر باشد.
ستونهای تقطیرجز به جز:
این ستونها انواع متعددی داردولی در تمام آنها خصلت های مشابهی وجود دارد.این ستونها مسیر عمودی را به وجود می آورند كه باید بخار در انتقال از ظرف تقطیر به مبرد از آن بگذرد.این مسیر به مقدار قابل ملاحظه ای از مسیر دستگاه تقطیر ساده طویل تر است.هنگام انتقال بخار از ظرف تقطیر به بالای ستون مقداری از بخار متراكم می شود.چنان چه قسمت پایین این ستون نسبت به قسمت بالای آن در درجه حرارت بیشتری نگه داری شود مایع متراكم شده و در حالی كه به پایین ستون می ریزد دوباره به طور جزیی تبخیر می شود .بخار متراكم نشده همراه بخاری كه از تبخیر مجدد مایع متراكم شدهحاصل می شود در داخل ستون بالاتر می رود واز یك سری تراكم وتبخیر می گذرد.این اعمال باعث تقطیر مجدد مایع می شود و به طوریكه در هر یك از مراحل فاز بخاری كه به وجود می آید نسبت به جز فرارتر غنی تر می شود.ماده متراكم شده ای كه به پایین ستون می ریزددر مقایسه با بخاری كه با آن در تماس است در هر یك از مراحل نسبت جزیی كه فراریت كمتری دارد غنی تر می شود.
در شرایط ایده ال بین فازهای مایع و بخار در سراسر ستون تعادل برقرار می شود و فاز بخار بالایی تقریبا به طور كامل از جز فرارتر تشكیل می شود و فاز مایع پایینی نسبت به جزیی كه فراریت كمتری دارد غنی تر می شود.
مهم ترین شرایطی كه برای ایجاد این حالت لازم است عبارتند از :
1-تماس كامل و مداوم بین فازهای بخار و مایع در ستون
2-حفظ افت مناسبی از درجه حرارت در طول ستون
3-طول كافی ستون
4-اختلاف كافی در نقاط جوش اجزای مخلوط مایع.
چنان چه دو شرط اول كاملا مراعات شود می توان با یك ستون طویل تركیباتی كه اختلاف كمی در نقطه ی جوش دارند به طور رضایت بخش از هم جدا كرد .زیرا طول ستون مورد لزوم و اختلاف نقاط جوش اجزا با هم نسبت عكس دارند.معمول ترین راه ایجاد تماس لازم در بین فازهای مایع آن است كه ستون با مقدارری ماده بی اثر مانند شیشه یا سرامیك یا تكه های فلزی به اشكال مختلف كه سطح تماس وسیعی را فراهم می كندپر شود. یكی از راه های بسیار موثر ایجاد این تماس بین مایع و بخار آن است كه نوار چرخانی از فلز یا تفلون كه با سرعت زیاذی در داخل ستون بچرخد به كار رود.
این عمل نسبت به ستون های پر شده ای كه قدرت مشابهی دارند این مزیت را دارد كه ماده كمی را در داخل ستون نگاه می دارد(منظور از این نگه داری مقدار مایع و بخاری است كه برای حفظ شرایط تعادل در داخل ستون لازم است.)
تقطیر تبخیر ناگهانی
در این نوع تقطیر ، مخلوطی از مواد نفتی که قبلا در مبدلهای حرارتی و یا کوره گرم شده‌اند، بطور مداوم به ظرف تقطیر وارد میشوند و تحت شرایط ثابت ، مقداری از آنها به صورت ناگهانی تبخیر میشوند. بخارات حاصله بعد از میعان و مایع باقیمانده در پایین برج بعد از سرد شدن به صورت محصولات تقطیر جمع آوری میشوند. در این نوع تقطیر ، خلوص محصولات چندان زیاد نیست.
تقطیر با مایع برگشتی (تقطیر همراه با تصفیه)
در این روش تقطیر ، قسمتی از بخارات حاصله در بالای برج ، بعد از میعان به صورت محصول خارج شده و قسمت زیادی به داخل برج برگردانده میشود. این مایع به مایع برگشتی موسوم است. مایع برگشتی با بخارات در حال صعود در تماس قرار داده میشود تا انتقال ماده و انتقال حرارت ، صورت گیرد. از آنجا که مایعات در داخل برج در نقطه جوش خود هستند، لذا در هر تماس مقداری از بخار ، تبدیل به مایع و قسمتی از مایع نیز تبدیل به بخار میشود.
نتیجه نهایی مجوعه این تماسها ، بخاری اشباع از هیدروکربنهای با نقطه جوش کم و مایعی اشباع از مواد نفتی با نقطه جوش زیاد می‌باشد.در تقطیر با مایع برگشتی با استفاده از تماس بخار و مایع ، میتوان محصولات مورد نیاز را با هر درجه خلوص تولید کرد، مشروط بر اینکه به مقدار کافی مایع برگشتی و سینی در برج موجود باشد. بوسیله مایع برگشتی یا تعداد سینیهای داخل برج می‌توانیم درجه خلوص را تغییر دهیم. لازم به توضیح است که ازدیاد مقدار مایع برگشتی باعث افزایش میزان سوخت خواهد شد. چون تمام مایع برگشتی باید دوباره به صورت بخار تبدیل شود.
امروزه به علت گرانی سوخت ، سعی میشود برای بدست آوردن خلوص بیشتر محصولات ، به جای ازدیاد مایع برگشتی از سینیهای بیشتری در برجهای تقطیر استفاده شود. زیاد شدن مایع برگشتی موجب زیاد شدن انرژی میشود. برای همین ، تعداد سینیها را افزایش میدهند. در ابتدا مایع برگشتی را 100درصد انتخاب کرده و بعد مرتبا این درصد را کم میکنند و به صورت محصول خارج میکنند تا به این ترتیب دستگاه تنظیم شود.
انواع مایع برگشتی
• مایع برگشتی سرد:
این نوع مایع برگشتی با درجه حرارتی کمتر از دمای بالای برج تقطیر برگردانده میشود. مقدار گرمای گرفته شده ، برابر با مجموع گرمای نهان و گرمای مخصوص مورد نیاز برای رساندن دمای مایع به دمای بالای برج است.
• مایع برگشتی گرم:
مایع برگشتی گرم با درجه حرارتی برابر با دمای بخارات خروجی برج مورد استفاده قرار میگیرد.
• مایع برگشتی داخلی:
مجموع تمام مایعهای برگشتی داخل برج را که از سینیهای بالا تا پایین در حرکت است، مایع برگشتی داخلی گویند. مایع برگشتی داخلی و گرم فقط قادر به جذب گرمای نهان می‌باشد. چون اصولا طبق تعریف اختلاف دمایی بین بخارات و مایعات در حال تماس وجود ندارد.
• مایع برگشت دورانی:
این نوع مایع برگشتی ، تبخیر نمی‌شود. بلکه فقط گرمای مخصوص معادل با اختلاف دمای حاصل از دوران خود را از برج خارج میکند. این مایع برگشتی با دمای زیاد از برج خارج شده و بعد از سرد شدن با درجه حرارتی کمتر به برج برمی‌گردد. معمولا این نوع مایع برگشتی درقسمتهای میانی یا درونی برج بکار گرفته میشود و مایع برگشتی جانبی هم خوانده میشود. اثر عمده این روش ، تقلیل حجم بخارات موجود در برج است.
نسبت مایع برگشتی
نسبت حجم مایع برگشتی به داخلی و محصول بالایی برج را نسبت مایع برگشتی گویند. از آنجا که محاسبه مایع برگشتی داخلی نیاز به محاسبات دقیق دارد، لذا در پالایشگاهها ، عملا نسبت مایع برگشتی بالای برج به محصول بالایی را به عنوان نسبت مایع برگشتی بکار می‌برند.
تقطیر نوبتی
این نوع تقطیرها در قدیم بسیار متداول بوده، ولی امروزه بعلت نیاز نیروی انسانی و ضرورت ظرفیت زیاد ، این روش کمتر مورد توجه قرار میگیرد. امروزه تقطیر نوبتی ، صرفا در صنایع دارویی و رنگ و مواد آرایشی و موارد مشابه بکار برده میشود و در صنایع پالایش نفت در موارد محدودی مورد استفاده قرار میگیرد. بنابراین در موارد زیر ، تقطیر نوبتی از نظر اقتصادی قابل توجه می‌باشد.
• تقطیر در مقیاس کم
• ضرورت تغییرات زیاد در شرایط خوراک و محصولات مورد نیاز
• استفاده نامنظم از دستگاه
• تفکیک چند محصولی
• عملیات تولید متوالی با فرآیندهای مختلف
تقطیر مداوم
امروزه بعلت اقتصادی بودن مداوم در تمام عملیات پالایش نفت از این روش استفاده میشود. در تقطیر مداوم برای یک نوع خوراک مشخص و برشهای تعیین شده شرایط عملیاتی ثابت بکار گرفته میشود. بعلت ثابت بودن شرایط عملیاتی در مقایسه با تقطیر نوبتی به مراقبت و نیروی انسانی کمتری احتیاج است. با استفاده از تقطیر مداوم در پالایشگاهها مواد زیر تولید میشود:
گاز اتان و متان بعنوان سوخت پالایشگاه ، گاز پروپان و بوتان بعنوان گاز مایع و خوراک واحدهای پتروشیمی ، بنزین موتور و نفتهای سنگین بعنوان خوراک واحدهای تبدیل کاتالیستی برای تهیه بنزین با درجه آروماتیسیته بالاتر ، حلالها ، نفت سفید ، سوخت جت سبک و سنگین ، نفت گاز ، خوراک واحدهای هیدروکراکینگ و واحدهای روغن سازی ، نفت کوره و انواع آسفالتها.
تقطیر ساده:
شکل دستگاه تقطیر ساده:
1- شعله
2- بالن ته گرد
3- سه راهی تقطی
4- دماسنج 5
- سرد کننده
6- ورودی آب
7- خروجی آب
8- بالن
9- خروج هوا وبخار
10- رابط خلاء
بخش عملی
الف) تقطیر ساده تتراکلریدکربن
20 میلی لیتر تتراکلرید کربن را در بالن تقطیر 50 میلی لیتری بریزید (احتیاط: هرگز از بالنی که بیش از نصف آن از ماده پر شده است استفاده نکنید) دستگاه تقطیر ساده را مطابق شکل سوار کنید و توجه نمائید که حباب دماسنج یا مخزن جیوه ای درست زیر بازوی جانبی بالن تقطیر (محل خروج بخار از بالن) باشد. قطعه کوچکی از سنگ جوش اضافه کنید تا امکان تاخیر در جوش که سبب میشود مایع ناگهانی بالا آید و یا به طور غیر منتظره بداخل مبرد پرت شود، از بین برود.
بالن را با شعله کم حرارت دهید و طوری شعله را تنظیم کنید که سرعت ریختن مایع حاصل از سرد شدن که از مبرد به داخل ظرف جمع آوری می ریزد حدود یک قطره در ثانیه باشد. نموداری از تغییرات درجه حرارت نسبت به حجم مایع جمع آوری شده رسم نمائید و درجه حرارتی که مایع بیشتری تقطیر میشود به عنوان نقطه جوش یاداشت نمائید. تقطیر را در حالی که 3-2 میلی لیتر مایع در بالن تقطیر مانده است قطع کنید.
نقطه جوشی که به دست آورده اید با نقطه جوش کربن تترا کلرید که در کتاب یا مقالات ذکر شده است مقایسه نمائید.
ب) تقطیر ساده متانول و آب
در یک بالن 100 میلی لیتری مخلوطی از 25 میلی لیتر متانول و 25 میلی لیتر آب بریزید. دو عدد سنگ جوش کوچک در بالن بیندازید و به آرامی بالن را حرارت دهید. درجه حرارتی که اولین قطره مایع از نوک ترمومتر به داخل بالن میچکد (میعان) یادداشت کنید و به عنوان شروع تقطیر در نظر بگیرید. در همین لحظه بخارات داخل لوله جانبی شده و مایع میشود و سرازیر شده از دهانه خروجی مبرد وارد ظرف جمع آوری میشود. در ابتدای شروع تقطیر حرارت را به گونه ای تنظیم کنید که سرعت تقطیر یک قطره در ثانیه باشد. دمای ترمومتر را بر حسب حجم تقطیر شده یادداشت کنید و منحنی آنرا رسم کنید.
در فشار 760 mmHg متانول در 7/64 درجه سانتیگراد و آب در oC 100 می جوشد. توجه داشته باشید که در فشار آزمایشگاه در دمای پایین تری تقطیر متانول شروع خواهد شد. هنگامی که 3-2 میلی لیتر مایع در ته بالن باقی مانده است تقطیررا متوقف کنید.
تقطیر جزء به جزء:
برای جداکردن موادی که نقطه جوش آنها خیلی به هم نزدیک باشد از تقطیر جزء به جزء استفاده میکنند. اختلاف این روش با تقطیر ساده آن است که در این حالت از یک ستون تقطیر جزء به جزء استفاده میشود.
ستونهای تقطیر جزء به جزء انواع متعددی دارند ولی در تمام آنها چند خصلت کلی مشاهده میشود. این ستونها مسیر عمودی را به وجود می آورند که باید بخار در انتقال از ظرف تقطیر به مبرد از آن بگذرد، این مسیر به مقدار قابل ملاحظه ای از مسیر دستگاه تقطیر ساده طویلتر است. هنگام انتقال بخار از ظرف تقطیر به بالای ستون مقداری از بخار متراکم میشود. مایع متراکم شده، در حالی که به پایین ستون می ریزد دوباره در تماس با بخاری که از پایین به بالا در جریان است به طور جزئی تبخیر میشود و به سمت بالا میرود و طی این میعان و تبخیر شدنهای متوالی بخار از جزء فرار تر غنی تر میشود، یعنی هرچه به سمت بالای ستون پیش میرویم غلظت جزء فرار تر بیشتر و هر چه به سمت پایین می آییم غلظت جزء غیر فرار بیشتر میشود.
از نقطه نظر تئوری، جدا کردن دو ترکیب فرار به طور کامل، بوسیله تقطیر حتی زمانیکه اختلاف در نقطه جوش آنها زیاد باشد امکان پذیر نیست زیرا همیشه جزء دارای نقطه جوش پایین تر فشار بخارش را بر روی نقطه جوش جزء دیگر اعمال نموده و پاره ای از مولکولهای با نقطه جوش بالاتر نیز تقطیر میگردند. اما بهرحال در امور تجربی، بوسیله تقطیر جزء به جزء میتوان مخلوط اینگونه مایعات را در حد مطلوبی جدا نمود.
تقطیر جزء به جزء مخلوطهای دو جزئی و چند جزئی
هدف از تقطیر ، جداسازی خوراک به بخارهایی از محصولات تقریبا خالص است در تقطیر سیستم های دو جزئی ، درجه خلوص با کسر مولی جزء سبک در محصول تقطیر XO و در محصول ته مانده XB بیان میشود. در سیستم های دو جزئی از یک مرحله به مرحله دیگر ، به جزء در نقطه آزئوتروپ ، دما و منحنی تعادل تغییر میکنند و یک جزء در تمام ستون فرارتر است. اما در سیستم های چند جزئی یک جزء ممکن است در یک قسمت ستون فرارتر و در قسمت دیگر فراریت کمتری داشته باشد، که ماهیت پیچیده غلظت اجزا را نشان میدهد. تعادل فازی سیستم های چند جزئی نسبت به دو جزئی بسیار پیچیده است، به دلیل اینکه تعداد اجزاء زیاد است وتعادل به دما بستگی دارد و دما از یک مرحله به مرحله دیگر تغییر میکند.
شکل دستگاه تقطیر جزء به جزء:
1- سنگ جوش 2- مخلوط دو یا چند ماده 3- گرم کننده 4- ظرف تقطیر (بالن) 5- ستون تقطیر 6- دماسنج 7- خروجی آب 8- ورودی آب 9- سرد کننده 10- رابط خمیده ساده 11- ظرف گیرنده (استوانه مدرج) 12- محصول تقطیر
مخلوط دو ماده با هم در برخی مواد تولید آزئوتروپ میکند، یعنی مخلوط با درصد معینی تا آخرین قطره تقطیر میشود. در اینگونه موارد نمیتوان مخلوط را بوسیله تقطیر جزء به جزء از یکدیگر جدا کرد. برای از بین بردن این حالت یا ماده دیگری به مخلوط اضافه میکنند تا آزئوتروپ دیگری که مطلوب باشد بدست آید و یا فشار را تغییر میدهند. مثلا الکل 95 درصد تشکیل آزئوتروپ میدهد که برای از بین بردن نقطه آزئوتروپ، بنزن به آن اضافه میکنند که در نتیجه نقطه آزئوتروپ دیگری با درصد آب بیشتر ایجاد میشود که بدین ترتیب آب خارج شده، الکل و بنزن باقی میماند که بوسیله تقطیر جزء به جزء به راحتی جدا میشود
بخش عملی
الف)تقطیر جزء به جزء متانول و آب
در یک بالن ته گرد 100 میلی لیتری مقدار 30 میلی لیتر متانول و 30 میلی لیتر آب بریزید و برای اطمینان از جوشش آرام (جلوگیری از غلیان محلول)، چند عدد سنگ جوش اضافه کنید دستگاه تقطیر جزء به جزء را مطابق شکل سوار کنید. از ابتدای شروع تقطیر حرارت را به گونه ای تنظیم کنید که سرعت تقطیر 10 الی 20 قطره در دقیقه باشد. درجه حرارتی که اولین قطره مایع از نوک دماسنج میچکد را یادداشت کنید. اگر ستون مایع طغیان میکند سرعت تقطیر را کم کنید. محصول تقطیر (مقطره) را در سه ظرف جدا در محدوده دمایی زیر جمع آوری نمایید.
تا دمای 68 درجه مقطره را در ظرف (الف) ذخیره کنید.
از 68 درجه تا 90 درجه مقطره را در ظرف (ب) جمع آوری نمایید.
از 90 درجه به بعد، آنرا در ظرف (ج) ذخیره کنید.
تقطیر را ادامه دهید تا 3-2 میلی لیتر مایع در ظرف تقطیر باقی بماند و سپس شعله را خاموش کنید.
حجم مایعات جمع آوری شده در هر ظرف را اندازه گیری کرده و یاد داشت کنید. حجم مایع باقی مانده در ظرف تقطیر را نیز اندازه گیری نموده و یادداشت کنید.
ب) تقطیر جزء به جزء بنزن و تولوئن
در یک ظرف ته گرد 100 میلی لیتری 30 میلی لیتر بنزن و 30 میلی لیتر تولوئن ریخته و برای اطمینان از جوشش آرام، چند عدد سنگ جوش به آن اضافه کنید. دستگاه تقطیر جزء به جزء را آماده کنید.
در این دستگاه محل حباب دماسنج اهمیت ویژه ای دارد، به محل آن نسبت به لوله جانبی سر دستگاه تقطیر توجه کنید (شکل دستگاه تقطیر). سه ظرف 50 میلی لیتری به عنوان ظرف گیرنده با برچسب (الف)، (ب) و (ج) آماده کنید. در عمل باید نوک رابط خلأ تا داخل گردن این ظرف امتداد داشته باشد، بین رابط و ظرف گیرنده یک فضای عمودی باقی نگذارید زیرا این فضا باعث سهولت فرار بخارهای قابل اشتعال میشود.
ظرف تقطیر را با چراغ گاز حرارت دهید. چراغ را طوری قرار دهید که نوک شعله با توری سیمی تماس پیدا کند یا درست زیر آن باشد، و شعله را از جریان باد محفوظ نگه دارید به نحوی که بتوانید حرارت را تا حد ممکن به دقت تنظیم کنید. به مجردی که محلول شروع به جوشیدن کرد و بخارهای رفلاکس شده به گرما سنج رسید، شعله را طوری میزان کنید که تقطیر فقط با سرعتی در حدود یک قطره مایع مقطر در هر یک یا دو ثانیه به طور یکنواخت ادامه یابد. اولین مایع مقطر را در ظرف گیرنده (الف) جمع آوری کنید. وقتی که درجه حرارت دهانه خروجی به 80 درجه رسید، ظرف گیرنده (الف) را با ظرف گیرنده (ب) و در 105 درجه آن را با ظرف گیرنده (ج) عوض کنید. تقطیر را ادامه دهید تا حدود 2 میلی لیتر مایع در ظرف تقطیر باقی بماند و بعد شعله را خاموش کنید. حجم اجزاء تقطیر شده در ظرف گیرنده (الف)، (ب) و (ج) را به کمک استوانه مدرج اندازه بگیرید و یاداشت کنید. اجازه دهید تا مایع موجود در ستون تقطیر به داخل ظرف تقطیر برگردد، حجم باقی مانده را اندازه گرفته و یادداشت کنید.
تقطیر با بخار آب:
غالبا به کمک تقطیر با بخار آب میتوان ترکیبات آلی فراری را که با آب مخلوط نمیشوند یا تقریبا با آن غیر قابل اختلاط هستند تفکیک و تخلیص کرد. در این روش مخلوط آب و جسم آلی با هم تقطیر میشوند. که به دو صورت امکان پذیر است:
1) روش مستقیم: که مخلوط آب و ماده آلی با همدیگر حرارت داده میشوند (تقطیر بوسیله آب).
2) روش غیر مستقیم: که بخار آب را در ظرف دیگری ایجاد کرده و از داخل ماده آلی عبور میدهند.
در تقطیر با بخار آب طبق قانون دالتون فشار بخارهای حاصله در درجه حرارت معین، برابر با مجموع فشارهای جزئی همان بخارها است:
PT = P1 + P2 + P3 + …
از این عبارت چنین بر می آید که همواره در هر درجه حرارتی فشار بخار کل مخلوط حتی از فشار بخار فرار ترین جزء در آن درجه حرارت بیشتر است، زیرا که فشار بخار اجزای دیگر مخلوط هم دخالت میکنند. بنابر این باید درجه جوش مخلوط ترکیبهای غیر قابل اختلاط کمتر از جزئی باشد که کمترین نقطه جوش را دارد.
آب (با نقطه جوش 100 درجه) و بروموبنزن (با نقطه جوش 156 درجه) در یکدیگر نامحلولند. این مخلوط در حدود 95 درجه سانتیگراد میجوشد. در این درجه، فشار بخار کل مخلوط برابر با فشار آتمسفر است. همانگونه که طبق نظریه دالتون پیش بینی میشد این درجه کمتر از نقطه جوش هر یک از این دو ماده به صورت خالص است.
مزیت استفاده از تقطیر با بخار آب در این است که در جه حرارت در این تقطیر نسبتا پایین است (کمتر از 100 درجه) و این روش برای خالص سازی موادی به کار میرود که نسبت به حرارت حساسند و در حرارتهای بالا تجزیه میشوند. همچنین این روش برای جدا کردن ترکیب، از مخلوط واکنشی که محتوی مقدار زیادی از مواد قیر مانند باشد مفید است.
برج تقطیر
برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار ، تعداد سینیها در مسیر برج به نوع انتقال ماده و شدت تفکیک بستگی دارد. قطر برج و فاصله میان سینیها به مقدار مایع و گاز که در واحد زمان از یک سینی می‌گذرد، وابسته است. هر یک از سینیهای برج ، یک مرحله تفکیک است. زیرا روی این سینیها ، فاز گاز و مایع در کنار هم قرار می‌گیرند و کار انتقال ماده از فاز گازی به فاز مایع یا برعکس در هر یک از سینیها انجام میشود. برای اینکه بازدهی انتقال ماده در هر سینی به بیشترین حد برسد، باید زمان تماس میان دو فاز و سطح مشترک آنها به بیشترین حد ممکن برسد.
بخشهای مختلف برج تقطیر با سینی کلاهکدار
• بدنه و سینیها: جنس بدنه معمولا از فولاد ریخته است. جنس سینیها معمولا از چدن است. فاصله سینیها را معمولا با توجه به شرایط طراحی ، درجه خلوص و بازدهی کار جداسازی بر می‌گزینند. در بیشتر پالایشگاههای نفت ، برای برجهای تقطیر به قطر 4ft فاصله میان 50 - 18 سانتیمتر قرار میدهند. با بیشتر شدن قطر برج ، فاصله بیشتری نیز برای سینیها در نظر گرفته میشود.
• سرپوشها یا کلاهکها: جنس کلاهکها از چدن می‌باشد. نوع کلاهکها با توجه به نوع تقطیر انتخاب میشود و تعدادشان در هر سینی به بیشترین حد سرعت مجاز عبور گاز از سینی بستگی دارد.
• موانع یا سدها: برای کنترل بلندی سطح مایع روی سینی ، به هر سینی سدی به نام "وییر" (Wier) قرار میدهند تا از پایین رفتن سطح مایع از حد معنی جلوگیری کند. بلندی سطح مایع در روی سینی باید چنان باشد که گازهای بیرون آمده از شکافهای سرپوشها بتوانند از درون آن گذشته و زمان گذشتن هر حباب به بیشترین حد ممکن برسد. بر اثر افزایش زمان گذشتن حباب از مایع ، زمان تماس گاز و مایع زیاد شده ، بازدهی سینیها بالا میرود.
برجهای تقطیر با سینیهای مشبک
در برجهای با سینی مشبک ، اندازه مجراها یا شبکه‌ها باید چنان برگزیده شوند که فشار گاز بتواند گاز را از فاز مایع با سرعتی مناسب عبور دهد. عامل مهمی که در بازدهی این سینیها موثر است، شیوه کارگذاری آنها در برج است. اگر این سینیها کاملا افقی قرار نداشته باشند، بلندی مایع در سطح سینی یکنواخت نبوده و گذر گاز از همه مجراها یکسان نخواهد بود.
خورندگی فلز سینیها هم در این نوع سینیها اهمیت بسیار دارد. زیرا بر اثر خورندگی ، قطر سوراخها زیاد میشود که در نتیجه مقدار زیادی بخار با سرعت کم از درون آن مجاری خورده شده گذر خواهد کرد. و می‌دانیم که اگر سرعت گذشتن گاز از حد معینی کمتر گردد، مایع از مجرا به سوی پایین حرکت کرده بازدهی کار تفکیک کاهش خواهد یافت.
برجهای تقطیر با سینیهای دریچه‌ای
این نوع سینیها مانند سینیهای مشبک هستند. با این اختلاف که دریچه‌ای متحرک روی هر مجرا قرار گرفته است. در صنعت نفت ، دو نوع از این سینیها بکار می‌روند:
1. انعطاف پذیر: همانطور که از نام آن برمی‌آید، دریچه‌ها می‌توانند بین دو حالت خیلی باز یا خیلی بسته حرکت کنند.
2. صفحات اضافی: در این نوع سینیها ، دو دریچه یکی سبک که در کف سینی قرار میگیرد و دیگری سنگین که بر روی سه پایه‌ای قرار گرفته ، تعبیه شده است. هنگامی که بخار کم باشد، تنها سرپوش سبک به حرکت در می‌آید. اگر مقدار بخار از حد معینی بیشتر باشد، هر دو دریچه حرکت میکنند.
مقایسه انواع گوناگون سینیها
در صنعت نفت ، انواع گوناگون سینیها در برجهای تقطیر ، تفکیک و جذب بکار برده میشوند. ویژگیهایی که در گزینش نوع سینی برای کار معینی مورد توجه قرار میگیرد، عبارت است از: بازدهی تماس بخار و مایع ، ظرفیت سینی ، افت بخار در هنگام گذشتن از سینی ، زمان ماندن مایع بر روی سینی ، مشخصات مایع و ... . چون در صنعت بیشتر سینیهای کلاهکدار بکار برده میشوند، برای مقایسه مشخصات سینیهای دیگر ، آنها را نسبت به سینیهای کلاهکدار ارزیابی میکنند.
برجهای انباشته
در برجهای انباشته ، بجای سینیها از تکه‌ها یا حلقه‌های انباشتی استفاده میشود. در برجهای انباشته حلقه‌ها یا تکه‌های انباشتی باید به گونه‌ای برگزیده و در برج ریخته شوند که هدفهای زیر عملی گردد.
1. ایجاد بیشترین سطح تماس میان مایع و بخار
2. ایجاد فضا مناسب برای گذشتن سیال از بستر انباشته
جنس مواد انباشتی
این مواد باید چنان باشند که با سیال درون برج ، میل ترکیبی نداشته باشند.
استحکام مواد انباشتی
جنس مواد انباشتی باید به اندازه کافی محکم باشد تا بر اثر استفاده شکسته نشده و تغییر شکل ندهد.
شیوه قرار دادن مواد انباشتی
مواد انباشتی به دو صورت منظم و نامنظم درون برج قرار می‌گیرند.
1. پر کردن منظم: از مزایای این نوع پر کردن، کمتر بودن افت فشار است که در نتیجه میشود حجم بیشتر مایع را از آن گذراند.
2. پر کردن نامنظم: از مزایای این نوع پر کردن ، میتوان به کم هزینه بودن آن اشاره کرد. ولی افت فشار بخار در گذر از برج زیاد خواهد بود.
مقایسه برجهای انباشته با برجهای سینی‌دار
در برجهای انباشته ، معمولا افت فشار نسبت به برجهای سینی‌دار کمتر است. ولی اگر در مایع ورودی برج ، ذرات معلق باشد، برجهای سینی‌دار بهتر عمل میکنند. زیرا در برجهای انباشته ، مواد معلق ته‌نشین شده و سبب گرفتگی و برهم خوردن جریان مایع می‌گردد. اگر برج بیش از حد متوسط باشد، برج سینی‌دار بهتر است. زیرا اگر در برجهای انباشته قطر برج زیاد باشد، تقسیم مایع در هنگام حرکت از بستر انباشته شده یکنواخت نخواهد بود.
در برجهای سینی‌دار میتوان مقداری از محلول را به شکل فرایندهای کناری از برج بیرون کشید، ولی در برجهای انباشته این کار، شدنی نیست. کارهای تعمیراتی در درون برجهای سینی‌دار ، آسانتر انجام میگیرد. تمیز کردن برجهای انباشته ، از آنجا که باید پیش از هرچیز آنها را خالی کرده و بعد آنها را تمیز نمایم، بسیار پرهزینه خواهد بود.
نكات مهم در انجام عمل تقطیر:
1-از دستگاه تقطیری كه رابط های آن شل باشند ممكن است بخارهای قابل اشتعالی كه باچراغ بونزن مجاور مشتعل شود (نشت كند). دستگاهی كه گیره های آن سفت بسته شده باشند ممكن است ضمن كار آزمایشگاهی در اثر فشار به نقطه ی شكست خود برسد و علاوه بر خطرات فیزیكی كه شیشه شكسته دارد باعث پخش مواد قابل اشتعال یا سوزان شود.
2-در بستن گیره باید دهانه گیره با قطعه شیشه ای كه به آن بسته می شود به صورت موازی قرار گیرد. این حالت باعث می شود كه گیره بدون كج كردن شیشه بسته شود وموجب شكستن شیشه یا شل كردن رابط دیگری نشود.قبل از اطمینان از وضعیت درست قطه ی شیشه ای و همترازی صحیح گیره آن را سفت نكنید.
3-در تقطیر ساده دستگاهی كه به كار می رود در انتهای گیره خنك كننده به هوا راه داردو از این راه تعادل فشار برقرار می شود.در آزمایشگاه هیچگاه نباید یك دستگاه بسته را حرارت داد. چنان چهت تعادل فشاربرقرار نشود انبساط مواد در دستگاه فشار را زیاد ی كند و این عمل ممكن است باعث انفجار دستگاه شود.
4-در این آزمایشات باید توهجه داشت كه موادی مثل بنزن و تولوئن باید خشك باشند.چنان چه از خشك بودن آنها اطمینان ندارید برای خشك كدن هر یك می توانید 50میلی لیتر از آن را در دستگاه تقطیرساده ای بریزید و تقطیر كنید تا مایع مقطر كدورتی را نشان ندهد.تقطیر را قطع كنید و باقی مانده تقطیر (نه مایع مقطر)را در آزمایش تقطیر جز به جز به كار برید.این روش برای خشك كردن حلال های مر طوبی مناسب است كه با آب آزئو تروپ با جوشش مینی مم می دهند.
5-هنگامیكه مایع قابل اشتعالی را در حالت تقطیر یا رفلاكس حرارت می دهید اطمینان حاصل كنید كه تمام رابط ها نحكم و عاری از فشار باشند.در موقعی كه مایع بسیار فراری را گرم می كنید بهتر است كه یك لوله لاستیكی را به دهانه باز دستگاهی متصل می كنید و لوله را از لبه بالای میز كار بگذرانید.و آن را از چرا گاز خود دور كنید.
6-هرگز نگذارید كه یك محصول تقطیر قابل اشتعال به خصوص اگه نزدیك به شعله نفر پهلویی شما باشد آزادانه از خنك كننده به ظرف گیرنده ای كه چند اینچ پایین تر از آن است بچكد.برای هدایت محصول تقطیر به ظرف گیرنده از یك مبدل استفاده كنید.
ضمیمه:
حلالهای قابل اشتعال كه معمولا با آنها زیاد سرو كار داریم به ترتیب در زیر آورده شده است:
1-اتیل اتر
2-استرها(اتیل استات)
3-الكلها(متانول-اتانول-2-پروپانول)
4-كتون ها(استون و بوتانون)
5-كربن دی سولفید
6-هیدروكربن ها(پنتان -هگزان-بنزن-تولوئن و...)
منابع و مراجع :
كتاب شیمی آلی تجربی نوین-جلد اول و جلد دوم-نام نویسندگان:رابرتس-گیلبرت-ردوالد-وینگرو-نام مترجم:هوشنگ پیر الهی
كتاب شیمی عملی و آلی-مولفین:آقایان جلیلیان-وارسته مرادی-احمدی گلسفیدی
technique of chemistry/A.Weissberger
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)