تقطیر
اطلاعات اولیه
روش جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول گوناگونند. یکی از این روشها فرآیند تقطیر است که خود روشهای مختلفی دارد و از جمله کاربردهای مهم آن در پالایش نفت و جداسازی اجزای آن است.
انواع تقطیر
- تقطیر ساده:اجزای سازنده محلولی از یک ماده حل شده غیر فعال را می‌توان با تقطیر ساده از هم جدا کرد. برای این کار محلول را می‌جوشانیم تا حلال فرار ، تبخیر و از ماده حل شده جدا شود. با سرد کردن بخار ، (میعان) ، حلال مایع جمع‌آوری می‌شود و ماده حل شده به صورت باقی مانده تقطیر باقی می‌ماند.
- تقطیر جزء به جزء:اجرای سازنده محلول شامل دو جز فرار را که از قانون رائولپیروی می کند، می توان با فرآیند تقطیر جزء به جزء از هم جدا کرد. طبق قانون رائول ، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای بخار سازنده آن است و سهم هر جزء ، برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است.
مراحل تقطیر با استفاده از قانون رائول
در تقطیر محلولی از A و B ، غلضت A در بخاری که خارج شده و مایع می‌شود، بیش از غلظت آن در مایع باقی‌مانده است. با ادامه عمل تقطیر ، ترکیب درصد اجزا در بخار
و مایع دائما تغییر می‌کند و این در هر لحظه عمومیت دارد. با جمع آوری
مایعی که از سرد شدن بخار حاصل می‌شود و از تقطیر مجدد آن و با تکرار پی
در پی این عمل ، سرانجام می‌توان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی
واقعا خالص به دست آورد.
انواع سیستمهای دارای انحراف از قانون رائول
- سیستمهای که از قانون رائول انحراف مثبت دارند:در این
حالت در منحنی فشار کل ، ماکسیممی وجود دارد. این ماکسیم مربوط به محلولی ،
با ترکیب درصد معینی است که فشار بخار آن بالاتر از فشار بخار هر یک اجزای
خالص است. این نوع محلول که “محلول آزئوتروپ با نقطه جوش مینیمم” نام دارد، در دمایی به جوش می‌آید که پایین‌تر از نقطه جوش هر یک از اجزای آن در حالت خاص است. - سیستمهای که از قانون رائول انحراف منفی دارند:اگر سیستمی
انحراف منفی از قانون رائول نشان دهد، در منحنی فشار کل مینیممی وجود خواهد
داشت. محلولی که غلظت متناظر با این مینیمم دارد، فشار بخاری خواهد داشت
که در هر دمایی ، پایین‌تر از فشار بخار هر یک از اجزای آن در حالت خاص
است. چنین محلولی در دمایی بالاتر از نقطه جوش هر یک از اجزای سازنده در
حالت خاص ، می‌جوشد. این محلول ، “آزئوتروپ با نقطه جوش ماکسیم” نامیده
می‌شود.
تعادل بخار با محلول آزئوتروپ
بخار در حالت تعادل با مایع آزئوتروپی چگونه به دست می‌آید؟
بخار در حالت تعادل با مایع همگن که نقطه جوش ماکسیمم یا مینیمم دارد،
دارای همان غلظتی است که مایع آن دارد. از این رو آزئوتروپ‌ها ، مانند مواد خالص
، بدون تغییر تقطیر می‌شوند. از محلول جز به جز یک محلول دو جزئی که
آزئوتروپی تشکیل می‌دهند، سرانجام یک جزء خالص و آزئوتروپ حاصل می‌شود، ولی
دو جزء آن ، بصورت خالص به دست نمی‌آید.
تقطیر جزء به جزء
نگاه کلی
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 می‌گیرد. 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.
انواع تقطیر
- 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. - 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. - 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.
فرایند تقطیر جزء به جزء
تقطیر جزء به جزء در ستون تقطیر سینی دار و یا پر شده انجام می‌گیرد،
به این ترتیب که بخارات حاصل شده، از پایین به طرف بالای ستون حرکت می‌کند و
با فاز مایعی که از میعان
بخارات قبلی که در طول ستون تولید شده اند و به طرف پایین جریان دارند، در
تماس می‌باشد و به این صورت تماس کامل بین فاز گاز و مایع برقرار می‌شود.
درجه حرارت هر سینی پایینی خود کمتر است، و در ستون تقطیر ، دما از پایین
به بالا ، کم می‌گردد. بخارهایی که نقطه میعان آنها ، مساوی درجه حرارت
سینی باشد، و روی آن سینی به مایع تبدیل می‌شود و روی آن جمع می‌گردد و به
روی سینی پایینی می‌ریزد. در نتیجه این عمل فاز بخار ، که غنی از جزء سبک
است، از بالای ستون خارج می‌شود و فاز مایع که غنی از جزء سنگین از پایین
جمع آوری می‌گردد. بخارهای خارج شده از قسمت بالای ستون در کندانسورها به
مایع تبدیل شده، به عنوان محصول جمع آوری می‌گردد معمولا مقداری از این
مایع جمع آوری شده جهت کنترل دمای ستون تقطیر به عنوان مایع برگشتی به داخل
آن برمی‌گردد. قسمت بالای ستون تقطیر تا سینی که خوراک روی آن می‌ریزد به
نام منطقه” تفکیک ستون” گویند و قسمت پایین ستون مربوط به خوراک را منطقه “عریان کننده” می‌نامند.
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.
