تقطیر و کاربردها در صنایع مختلف

تقطیر چیست و چه کاربردهایی در صنایع مختلف دارد؟
تقطیر (Distillation) فرآیندی شامل تبدیل مایع به بخار است که پس از آن دوباره به شکل مایع متراکم می شود. ساده ترین تعریف تقطیر به صورت عملی بخار کتری است که به صورت قطره های آب بر روی یک سطح سرد رسوب می کند.

از تقطیر برای جدا کردن مایعات از مواد جامد غیر فرار مانند جداسازی مشروبات الکلی از مواد تخمیر شده، یا در جداسازی دو یا تعداد بیشتری از مایعات با نقاط جوش مختلف استفاده می شود. از دیگر کاربردهای این روش جداسازی بنزین، نفت سفید و روغن روانکاری از تقطیر نفت خام است.

سایر کاربردهای صنعتی شامل پردازش محصولات شیمیایی مانند فرمالدئید، فنل و نمک زدایی آب دریا است. تقطیر می تواند به صورت پیوسته یا ناپیوسته انجام شود که این مسئله به ساختار دستگاه آن بستگی دارد.

در حال حاضر تقطیر به عنوان یک فرآیند جداسازی مهم در شیمی، صنعت و علوم غذایی مورد استفاده قرار می گیرد. توجه به این نکته مهم است که تقطیر یک واکنش شیمیایی نیست اما می تواند به عنوان یک فرآیند جداسازی فیزیکی در نظر گرفته شود.

تقطیر ساده چیست؟
بیشتر روشهایی که در صنعت و تحقیقات آزمایشگاهی استفاده می شود، تقطیر ساده است. این عملیات نیاز به استفاده از سیستم تقطیر برای گرم کردن مایع، یک کندانسور برای خنک شدن بخار و یک گیرنده برای جمع آوری مایع حاصله دارد. در گرم کردن مخلوطی از مواد، ابتدا فرارترین ترکیب که کمترین نقطه جوش را دارد تقطیر می شود و بقیه متعاقباً یا اصلاً تقطیر نمی شوند.

این دستگاه ساده برای تصفیه مایعات حاوی مواد غیر فرار کاملاً راضی کننده است و برای جداسازی مایعات از نقاط جوش متفاوت کاملاً مناسب است. برای استفاده آزمایشگاهی این دستگاه معمولاً از شیشه ساخته می شود و با چوب پنبه، دسته های لاستیکی یا اتصالات شیشه متصل می شود.

برای کاربردهای صنعتی، تجهیزات بزرگ تری از فلز یا سرامیک و حتی برج تقطیر استفاده می شود. در مبحث تقطیر چیست علوم هشتم این موارد شرح داده شده است.

انواع روش های تقطیر:
تقطیر جز به جز:
این روش که به نام تقطیر فرکشنال یا افتراقی نیز شناخته می شود برای کاربردهای خاص مانند تصفیه نفت ایجاد شده است، زیرا تقطیر ساده برای جداسازی مایعاتی که نقاط جوش آنها نزدیک به یکدیگر است کارآمد نیست. در این عملیات بخارات حاصل بارها در یک ستون عمودی عایق شده متراکم شده و بخار می شوند تا بالاخره اجزاء مخلوط از یکدیگر جدا شوند.

تقطیر با بخار آب:
از تقطیر بخار اغلب برای جداسازی اجزای حساس به گرما در مخلوط استفاده می شود. این کار با عبور بخار از مخلوط (که کمی گرم می شود) انجام می شود تا مقداری از آن بخار شود. این فرآیند بدون نیاز به دمای بالا، سرعت انتقال حرارت بالا را ایجاد می کند. بخار حاصل متراکم می شود تا بتواند ماده مورد نیاز را تأمین کند. از این روش برای به دست آوردن روغن های اساسی و مقطرهای گیاهی از چندین گل / گیاهان معطر استفاده می شود. در مبحث تقطیر چیست کلاس چهارم به این روش اشاره شده است.

تقطیر در خلاء:
این روش برای جداسازی مخلوط مایعات با نقاط جوش بسیار بالا ایده آل است. به منظور جوشاندن این ترکیبات، حرارت دادن با دمای بالا یک روش ناکارآمد است. بنابراین، فشار محیط به جای آن کاهش می یابد. کاهش فشار باعث می شود که ماده در دمای پایین جوش بیاید. هنگامی که فشار بخار ماده برابر با فشار اطراف باشد، به بخار تبدیل می شود.

سپس این بخارات متراکم شده و به صورت مایع جمع می شوند. از این روش نیز برای به دست آوردن نمونه هایی با خلوص بالا از ترکیباتی که در دماهای بالا تجزیه می شوند، استفاده می شود.

تقطیر خلاء حساس به هوا:
برای ترکیباتی که به هوا حساس هستند و به راحتی با آن واکنش نشان می دهند، این فرآیند در خلا انجام می شود اما پس از اتمام فرآیند، خلاء باید با گاز بی اثر جایگزین شود. از چنین فرآیندی غالباً به عنوان تقطیر خلاء حساس به هوا یاد می شود.

تقطیر مسیر کوتاه:
از این روش برای تصفیه مقدار کمی از ترکیبات که در دمای بالا ناپایدارهستند، استفاده می شود. این کار تحت سطح فشار کمتری انجام می شود و به طور کلی مقطر قبل از جمع آوری مسافت بسیار کمی را طی می کند از این رو نام آن "مسیر کوتاه" است. کاهش مسافت طی شده در دستگاه باعث کاهش اتلاف ماده در امتداد دیواره های دستگاه می شود.

تقطیر منطقه ای:
این روش شامل ذوب شدن جزئی ماده و متراکم شدن بخارهای حاصل برای به دست آوردن یک مایع خالص است. این کار در یک ظرف بلند با کمک بخاری منطقه ای انجام می شود و ممکن است بارها و بارها برای به دست آوردن ماده مورد نظر تکرار شود.

تقطیر واکنشی:
در این روش رآکتور به عنوان تبخیر کننده استفاده می شود و دمای جوش محصول واکنش از دمای جوش واکنش دهنده ها بسیار پایین تر است. در این روش ماده مورد نظر وقتی شروع به تبخیر می کند که سایر واکنش دهنده ها هنوز در فاز مایع قرار دارند و بخار حاصله جداسازی می شود.

تقطیر تخریبی:
این تکنیک با گرمادهی شدید مواد جامد در غیاب اکسیژن صورت می گیرد و مواد با نقطه جوش بالا به صورت گاز متصاعد و جداسازی می شوند. با این روش می توان متانول را از چوب به دست آورد.

کاربرد تقطیر چیست؟
روش تقطیر سابقه قابل توجهی دارد و به 3000 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد. شواهد نشان می دهد که تقطیر الکل از قرن 9 انجام شده است. برخی از کاربردهای مهم این روش جداسازی در زیر ذکر شده است.

تقطیر در بسیاری از تکنیک های تصفیه آب نقش مهمی دارد. بسیاری از کارخانه های نمک زدایی از این روش استفاده می کنند تا آب آشامیدنی را از آب دریا به دست آورند. آب مقطر به دست آمده کاربردهای بی شماری دارد مثلا برای ساخت باتری های اسید - سرب و رطوبت سازهای کم حجم مورد استفاده قرار می گیرد.

بسیاری از محصولات تخمیر شده مانند نوشیدنی های الکلی با کمک این روش تصفیه می شوند. بسیاری از عطرها و طعم دهنده های گیاهی نیز از این طریق به دست می آیند.

تثبیت نفت با این روش فشار بخار نفت خام را کاهش می دهد و ذخیره سازی و حمل و نقل ایمن را امکان پذیر می کند. با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی می توان هوا را به نیتروژن، اکسیژن و آرگون تفکیک کرد. از این فرآیند در مقیاس صنعتی نیز برای تصفیه محصولات مایع حاصل از سنتز شیمیایی استفاده می شود.

تقطیر آزئوتروپی چیست؟
فعل و انفعالات بین اجزای محلول خصوصیاتی منحصر به فرد در محلول ایجاد می کند، زیرا بیشتر فرآیندها مستلزم ایجاد مخلوط غیرایده آل است. چنین فعل و انفعالاتی می تواند منجر به یک آزئوتروپ در حال جوش ثابت شود که مانند ماده خالص رفتار می کند. به عنوان مثال، الکل اتیل و آب یک آزئوتروپ 95.6٪ در دمای 78.1 درجه سانتی گراد تشکیل می دهند.

اگر آزوتروپ برای استفاده به اندازه کافی خالص در نظر گرفته نشود، برخی از تکنیک ها برای تجزیه آزئوتروپ برای ارائه یک ماده خالص وجود دارد. این مجموعه از تکنیک ها به عنوان تقطیر آزوتروپیک شناخته می شوند.

مایعات غیر قابل اختلاط مانند آب و تولوئن به راحتی آزئوتروپ ها را تشکیل می دهند. معمولاً از این آزوتروپ ها به عنوان آزوتروپ کم جوش یاد می شود زیرا نقطه جوش آزئوتروپ کمتر از نقطه جوش هر یک از اجزای خالص است. آزئوتروپ با استفاده از جداکننده مایع و مایع به راحتی از طریق تقطیر شکسته می شود تا دو لایه مایع که بالای ستون متراکم شده اند را جدا کند.

تفاوت تقطیر ساده و جزء به جزء:
در تقطیرساده هدف جدا کردن یک مایع از مخلوطی است که در آن حل شده است و این مایع نقطه جوش کمتری نسبت به سایر اجزا دارد. ماده ای که نقطه جوش کمتری دارد بر اثر حرارت بخار شده و سپس توسط مبرد در یک مرحله سرد و مایع می شود. ولی در تقطیر جز به جز هدف جدا کردن چندین جز از یک مخلوط است که در اثر حرارت به تدریج بخار شده و در برج بالا می روند و با کم شدن دمای برج به مایع تبدیل شده و جداسازی می شوند.

تقطیر آب چگونه انجام می شود؟
این روش یکی از فرآیندهای تصفیه آب است که با استفاده از یک منبع حرارتی آب را بخار می کند و آن را از آلودگی های داخل آن جدا می کند. عناصر نامطلوب همان مواردی هستند که به طور طبیعی در آبهای زیرزمینی یا سطحی مشاهده می کنید.

در این روش آب تصفیه نشده را گرم می شود تا زمانی که به نقطه جوش برسد و شروع به بخار شدن کند. سپس گرمای آب در این دما نگه داشته می شود تا بخار آب حفظ شود و در عین حال جلوی بخار شدن عناصر دیگر گرفته شود. این فرآیند همچنین به جداسازی مولکول های آب از هر ارگانیسم ایجاد کننده بیماری میکروسکوپی نیز کمک می کند. هنگامی که آب بخار شد به یک کندانسور هدایت می شود تا خنک شده و دوباره به شکل مایع برگردد.