تقطیر

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیpolski

تَقطیر(به انگلیسی: Distillation) یکی از مهم‌ترین و متداول‌ترین روش‌های جداسازی است و اساس آن بر توزیع اجزا بین دو فاز مایع و گاز بنیان گذاشته شده‌است. در واقع تقطیر یکی از متداول‌ترین راه‌های جداسازی مواد از یکدیگر به علت تفاوت نقطه جوش می‌باشد.

تقطیر یک فرایند فیزیکی برای جداسازی اجسام با دمای جوش متفاوت است. برای پی بردن به این که فرایند تقطیر چگونه انجام می‌گیرد باید به رفتار محلول‌ها هنگام جوشیدن و متراکم شدن توجه کرد. محلول‌هایی با نسبت‌های متفاوت از دو ماده را می‌گذاریم تا در دمای جوش با بخار خود به تعادل درآیند. سپس ترکیب فاز مایع و فاز بخار را اندازه می‌گیریم و نمودار تغییر درصد مولی هر یک از فاز مایع و فاز بخار را در دماهای مختلف رسم می‌کنیم. مختصات y هر نقطه بر روی منحنی نمایانگر دمای جوش محلولی است که ترکیب درصدآن با مختصات x دراین نقطه داده می‌شود. در آزمایشگاه برای جداسازی مایعات فرار، اغلب از دستگاه تقطیر جزء به جزء استفاده می‌شود. یک ستون تقطیر یا جداسازی شامل یک استوانه عمودی حاوی دسته‌ای از بشقابک‌ها، یا حلقه‌های فولادی زنگ‌نزن، گلوله‌های شیشه‌ای یا تکه‌های سرامیک می‌باشد؛ که این مواد دارای سطح ویژه گسترده‌ای بوده و تماس خوبی را بین مایع - بخار در طول واحد تقطیر ممکن می‌سازند. در بالای ستون یک مبرد و در پایین آن یک واحد تبخیر کننده به نام بازجوشان (reboiler) قرار دارد. بالای ستون چون از منبع گرمایش دورتر است سردتر از پایین ستون می‌باشد و ترکیب درصد مایع و بخار در حال تعادل در بالای ستون با ترکیب درصد مایع و بخار در حال تعادل در پایین ستون می‌باشد؛ بنابراین در بالای ستون درصد ماده‌ای که دمای جوش کمتری دارد بیشتراست. در صنعت برای تقطیر در مقیاس تجارتی و جداسازی مخلوط چند ماده از برج تقطیر جزء به جزء مانند آنچه که دراینجا ملاحظه می‌نمایید استفاده می‌شود. در هر طبقه از برج از بشقابی حبابی مانند () به کار رفته‌است. با اجرای مراحل گوناگون تقطیر نفت خام به فراورده‌های سودمندی تفکیک می‌شود؛ و بر مبنای دمای جوش خود از ترازهای مختلف برج خارج می‌شود.

تقطیر، روشی جهت استخراج اسانس از گیاهان دارویی و معطر[ویرایش]

فرایند تقطیر نوعی روش استخراج اسانس است که قدمت طولانی داشته و در آن، مایع به ترکیباتی که نقطه جوش متفاوت دارند تقسیم می‌شود. تکنولوژی تقطیر نسبتاً ساده بوده و قابل استفاده در مناطق روستایی نیز می‌باشد. تقطیر با آب قدیمی‌ترین و ارزان‌ترین روش تقطیر است که طراحی و ساخت آن ساده و کم هزینه می‌باشد. این روش به‌طور عمومی برای استخراج اسانس از مواد خشک یا پودر شده گیاهی (مانند ادویه‌های پودر شده، مواد چوبی پودر شده مانند پوست درخت دارچین)، گل‌هایی مانند گل محمدی و اندام‌هایی که بسیار سخت و محکم هستند مانند ریشه‌ها، چوب‌ها و میوه‌های فندقه استفاده می‌شود. به عمل تبخیر و میعان متوالی تقطیر گویند. یعنی در این فرایند مایعات ابتدا به بخار تبدیل شده و پس از فرایندی بخار سرد و به مایع تبدیل می‌گردد. طی این فرایند بخارات حاصل از گرما تحت تأثیر سرما تبدیل به قطرات مایع می‌گردد و با جمع‌آوری این قطرات که از میعانات پشت سرهم حاصل می‌گردد؛ موادی خالص و مقطر به دست می‌آید. معمولاً با عمل تقطیر می‌توان ترکیب مختلف معطر را بدون تغییر از گیاه خارج کرد. اسانس‌ها معمولاً با عمل تقطیر شامل ترکیبات مختلفی هستند ولی یک یا چند ترکیب عامل اصلی بوی اسانس محسوب می‌شود.[۱]

اجزای یک سیستم تقطیر ساده[ویرایش]

بطور کلی یک سیستم تقطیر ساده دارای چهار بخش است: مشعل (به عنوان منبع گرما)، مخزن تقطیر، مبرّد و قسمت جداکنندهٔ اسانس[۲]

انواع روش‌های تقطیر[ویرایش]

  1. تقطیر در فشار محیط[۳]: در این روش، فرایند تقطیر در فشار محیط صورت می‌گیرد.
  2. تقطیر با بخار آب[۴]: وقتی که تقطیر در مجاورت بخار ماده مخلوط نشدنی و باویسکوزیته بالا صورت می‌گیرد. فشار بخار یکی تحت تأثیر دیگری قرار نگرفته و مخلوط در دمایی که مجموع فشارهای جزئی آن‌ها برابر فشار محیط گردد تقطیر می‌شود.دو نوع تقطیر با بخار آب داریم 1-روش مستقیم 2-تقطیر با بخار زنده
  3. تقطیر در خلاء: در این روش فرایند تقطیر در خلاء (در فشار ۴۰ میلی‌متر جیوه) صورت می‌گیرد.
  4. تقطیر در خلاء و بخار: این روش با انتقال گرما توسط بخار آب و با استفاده هم‌زمان از پمپ خلأ جهت کاهش فشار کلی صورت می‌گیرد. بطور کلی این روش دارای اشکالاتی بوده و از آن زیاد استفاده نمی‌شود.
  5. تقطیر در فشار: این روش برعکس تقطیر در خلأ بوده و باعث می‌شود که فرایند تقطیر در دمای بیشتری نسبت به آن در فشار محیط صورت گیرد و دمای بالاتر باعث گسسته شدن مولکول‌های نفت گردیده و ترکیب آن‌ها را تغییر می‌دهد.

روش‌های جدید تقطیر: این روش‌ها شامل یک یا دو مرحله تقطیر در فشار محیط بوده که توسط تقطیر با بخار همراه می‌شود.

انواع تقطیر از نظر اجزا[ویرایش]

  1. تقطیر دو جزئی
  2. تقطیر چند جزئی

تقطیر دو جزئی [۳][ویرایش]

  1. تقطیر تعادلی
  2. تقطیر جزئی
  3. تقطیر مداوم

تقطیر چند جزئی [۲][ویرایش]

روش‌های میانبر (Short Cut Method)

  1. روش فنسکی
  2. روش آندروود
  3. روش گیلیلان
  4. روش براون و مارتین
  5. روش ادولج
  6. روش ادمیستر
  7. روش تخمینی سینی به سینی
  8. روش اسمیت
  9. روش لویس- ماتسون
  10. روش ترسیمی هنگستیبک
  11. روش تیلی- گدس
  12. روش وینکل و تاد

روش‌های دقیق (Exact Solution)

  1. MESF
  2. روش همگرایی تتا
  3. روش همگرایی تتا برای برج‌های پیچیده
  4. روش همگرایی تتا برای برج‌های تقطیر آزئوتروپی و استخراجی

تقطیر مداوم[ویرایش]

امروزه به‌علت 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 به‌عنوان سوخت پالایشگاه، گاز پروپان و بوتان به‌عنوان گاز مایع و خوراک واحدهای پتروشیمی، بنزین موتور و نفت‌های سنگین به‌عنوان 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 روغن‌سازی، نفت کوره و انواع آسفالتها.

تقطیر جزء به جزء[ویرایش]

برای تفکیک برش‌های متشکله نفت خام عملیات فیزیک و شیمیایی چندی بر روی آن به عمل می‌آورند تا فراورده‌های مورد نیاز جامعه امروزی را تولید نمایند. از مهم‌ترین آن‌ها تقطیر جز به جز نفت و استخراج [۴] می‌باشد. تقطیر جز به جز عبارت است از یکسری تبخیر و تبرید که در سینی‌های یک برج استوانه‌ای صورت می‌گیرد. مایعات خالص در فشار محیط در دمایی به جوش می‌آیند که در آن دما فشار بخار آن برابر فشار محیط گردد. مایعات مخلوط در حدود دمایی که حاصل جمع فشارهای جزئی عوامل تشکیل دهنده آن‌ها برابر فشار محیط گردد به جوش می‌آید.

در نقطه جوش فازهای بخار و مایع در حال تعادل می‌باشند. چنانچه فشار کاهش یابد تبخیر صورت می‌گیرد و در حالت معکوس تبرید اتفاق می‌افتد. از فشار بخار برای محاسبه ترکیب گازهای مخلوط در حالت تعادل استفاده می‌شود. وقتی که اجزا تشکیل دهنده یک محلول در برج تقطیر بطور دائم جدا می‌شوند بخارهایی که به سمت بالا حرکت می‌کند ترکیبات فرارتر مایع برگشت‌کننده به سمت پایین سرازیر است برخورد کرده و غلیظ‌تر می‌شود.

منابع[ویرایش]

  1. شهریاردوست ّّّّحبیب 1391. الفبای عطاری مدرن. تبریز احرار.131ص
  2. نجفی، فرزاد. عبادی، محمدتقی. عباسیان، جلال. ۱۳۹۰. فرایندهای برداشت، خشک کردن و فرآوری گیاهان دارویی و معطر. انتشارات دانشگاه شهید بهشتی تهران. ۴۸۰ ص
  3. تقطیر ساده وجود ناخالصی های غیرفرّار در مایع سبب كاهش فشار بخارآن می شود، زیرا وجود جزء غیر فرار به مقدار زیاد، غلظت جزء اصلی فرّار را پایین می آورد و قابلیت تبخیر مایع كم می شود، اماپس از تقطیر در باقیمانده ی تقطیر باقی می ماند و مایع به صورت خالص تقطیر می شود. به طوركلی، بخاراتی كه در سطح مایع است بیشتر از جسم فرّار تشكیل شده است و كمتر از جسم غیر فرّار است. ( قانون رائولت و دالتون )               چنانچه مخلوطی از دو یا چند مایع داشته باشیم و دمای جوش آن ها به حد كافی با هم تفاوت داشته باشد، جدا كردن آن ها از طریق تقطیر ساده امكان پذیراست. ابتدا مایعی كه نقطه ی جوش كمتری دارد تقطیر می شود و سپس اجزاء دیگر مخلوط، به تناسب افزایش دمای جوششان تقطیر می شوند و بدین ترتیب می توان آن ها را از یك دیگر جدا نمود. می توان گفت اختلاف نقطه ی جوش باید بیش از ٨٠ درجه سانتیگراد باشد. برای تقطیر ساده، بالن تقطیر، مُبرد، رابط، دماسنج، و بالن دریافت كننده لازم است. نحوه آماده كردن دستگاه مطابق شكل زیر است در تقطیر یك مایع خالص، درجه حرارت دهانه ی خروجی رابط با درجه حرارت مایع جوشان بالن تقطیر، چنانچه بالن زیاده ازحد گرم نشود، یكسان است. چنانچه فقط اندازه گیری دمای جوش، مورد نظر باشد، می توان بدون مُبرد مقدار دمای جوش را تعیین كرد.
  4. تقطیر به وسیله بخار آب: باید دانست که مجموع دو مایع مخلوط نشدنی، از هر كدام از دو مایع، به صورت تنها(مجزا) در دمای پایینتری می جوشد. چنانچه یكی از دو مایع آب باشد و عمل تقطیر انجام شود، آن را تقطیر همراه با بخار آب می گویند. بنابراین مایع مورد نظر، زیر 100درجه سانتیگراد تقطیر می شود. بدین ترتیب، یك تركیب كه در آب بسیار نامحلول است، به صورت مخلوط با آب، تقطیر می شود و موادی را كه جوش آنها خیلی بالاتر از 100 درجه سانتیگراد است، به راحتی می توان تقطیر كرد.
Laboratoryjny zestaw destylacyjny: 1. palnik 2. kolba 3. nasadka destylacyjna 4. termometr 5. chłodnica 6. oliwka wlotowa wody 7. oliwka wylotowa wody 8. odbieralnik 9. oliwka próżniowa (gazu obojętnego) 10. łącznik destylacyjny
Alembik do destylacji

Destylacja (łac. destilatio, de- 'od' i stillare 'skraplanie' od stilla 'kropla') – rozdzielanie ciekłej mieszaniny wieloskładnikowej poprzez odparowanie, a następnie skroplenie jej składników. Stosuje się ją w celu wyizolowania lub oczyszczenia jednego lub więcej związków składowych. Proces wykorzystuje różną lotność względną składników mieszaniny.

Główny produkt destylacji (czyli skroplona ciecz) nazywany jest destylatem. Pozostałość po destylacji nazywana jest cieczą wyczerpaną.

Najważniejszymi urządzeniami zwiększającymi efektywność destylacji są: kolumna rektyfikacyjna (kolumna destylacyjna) i deflegmator (który jest również rodzajem kolumny rektyfikacyjnej, o specyficznej konstrukcji i zastosowaniu).

Rodzaje destylacji[edytuj | edytuj kod]

Poniżej wymieniono najważniejsze[1]:

  • destylacja prosta (inaczej różniczkowa) – polega na jednorazowym odparowaniu i skropleniu cieczy
  • destylacja równowagowa (inaczej rzutowa) – opary pozostają w kontakcie z wrzącą cieczą w stanie równowagi fizykochemicznej
  • destylacja wielostopniowa – seria destylacji prostych prowadzonych jedna po drugiej
  • rektyfikacja (inaczej destylacja frakcyjna) – proces kaskadowy w aparaturze, która umożliwia jednoczesne wielokrotne odparowywanie i skraplanie cieczy. Istotą jest przeciwprądowy ruch fazy ciekłej i gazowej; destylat może być odbierany w formie frakcji różniących się składem.
  • destylacja azeotropowa – przy użyciu dodatkowego składnika (czynnika rozdzielającego), tworzącego azeotropy ze składnikiem lub składnikami mieszanin, wykorzystywana do rozdzielania azeotropów i składników bliskowrzących
  • destylacja zeotropowa – przy użyciu czynnika rozdzielającego o dużej lotności, który nie tworzy azeotropów ze składnikami mieszanin, a zwiększa różnicę między ich względnymi prężnościami par, i jest odprowadzany z urządzenia destylacyjnego wraz ze składnikiem lub składnikami bardziej lotnymi
  • destylacja ekstrakcyjna – przy użyciu czynnika rozdzielającego o małej lotności, który zwiększa różnicę między względnymi prężnościami par składników rozdzielanych mieszanin a jest odprowadzany z urządzenia destylacyjnego wraz ze składnikiem lub składnikami mniej lotnymi (z cieczą wyczerpaną)
  • destylacja z parą wodną – stosowana często w preparatyce organicznej. Przez mieszaninę przepuszcza się parę wodną, obniża się temperaturę destylacji, a w odbieralniku otrzymujemy mieszaninę cieczy organicznej i wody[2].
  • destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem (inaczej próżniowa) – przy niższym ciśnieniu niższa jest też temperatura wrzenia, co zapobiega rozkładowi cieczy wrażliwych na wysokie temperatury
  • destylacja cząsteczkowa (inaczej molekularna) - przebiega bez wrzenia (cząsteczki cieczy odrywają się od jej powierzchni dzięki ruchom termicznym) i pod bardzo niskim ciśnieniem; stosowana jest w przypadku cieczy wyjątkowo wrażliwych na wysokie temperatury, na przykład w farmaceutyce do produkcji koncentratów witaminowych.
  • destylacja reaktywna – proces łączący w jednym urządzeniu równowagową reakcję chemiczną z oddzieleniem produktów za pomocą destylacji[3][4].

Warunki powodzenia destylacji[edytuj | edytuj kod]

Aby destylacja była skuteczna, skład gazu musi być różny od składu cieczy. Podstawowym warunkiem jest tu różnica temperatur wrzenia rozdzielanych związków chemicznych. Istnieją mieszaniny, których składników nie można rozdzielić przez „zwykłą” destylację, gdyż ciecze składowe podczas wrzenia wykazują identyczną prężność pary. Są to mieszaniny azeotropowe.

Mieszaniny azeotropowe można rozdzielić metodą destylacji azeotropowej, która polega na rozdestylowaniu ich po uprzednim wprowadzeniu dodatkowego składnika, tzw. czynnika azeotropującego, który tworzy z substancjami azeotrop trójskładnikowy, wrzący w innej temperaturze i z innym stosunkiem składników niż mieszanina wyjściowa. Przykładem może być azeotrop etanol-woda (95,57% etanolu, temperatura wrzenia czystego etanolu 78,3 °C), który można rozdzielić po dodaniu pewnej ilości benzenu. Powstaje wówczas trójskładnikowa mieszanina azeotropowa – o składzie 7,5% wody, 18,5% etanolu, 74% benzenu – mająca temperaturę wrzenia 68,86 °C. Po całkowitym oddestylowaniu takiej mieszaniny pozostałością jest alkohol bezwodny (absolutny). Metoda ta była stosowana w przemyśle spirytusowym, obecnie nie jest ona stosowana ze względu na toksyczność benzenu.

Analogiczne metody rozdziału[edytuj | edytuj kod]

Rozdziału mieszanin z wykorzystaniem różnic temperatur przemian fazowych składników można również dokonać przez:

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Zespół redaktorów Działu Słownictwa Technicznego WNT: Leksykon naukowo–techniczny z suplementem. Wyd. 4. T. A–O. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo–Techniczne, 1989. ISBN 83-204-0967-5. (pol.)
  2. Krzysztof Pigoń, Zdzisław Ruziewicz: Chemia fizyczna 1. Wyd. 6. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, styczeń 2007. ISBN 978-83-01-15054-9.
  3. Jan Hehlmann, Maksymilian Gądek, Destylacja reaktywna – stosowane modele procesowe i rozwiązania aparaturowe, „Inżynieria i Aparatura Chemiczna”, 48 (3), 2009, s. 138-145 [dostęp 2019-04-30].
  4. Jan Hehlmann, Marcin Sobecki, Maksymilian Gądek, Oczyszczanie ścieków technologicznych z kwasu octowego metodą destylacji reaktywnej - modelowanie kinetyki reakcji estryfikacji, „Rocznik Ochrona Środowiska”, 13, 2011, s. 859-874 [dostęp 2019-04-30].

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Praca zbiorowa: Chemia. Małgorzata Wiśniewska (red.). Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2001, seria: Encyklopedia dla Wszystkich. ISBN 83-204-2590-5.