تقطیر جزء به جزء و کاربرد آن

تقطیر جزء به جزء فرآیندی است که طی آن اجزا موجود در یک مخلوط شیمیایی با توجه به نقاط جوش متفاوت به قسمتهای مختلف (جزء به جزء) تقسیم می شوند.

از تقطیر جزء به جزء برای تصفیه مواد شیمیایی و جداسازی مخلوط ها برای به دست آوردن اجزای آنها استفاده می شود.از این روش برای تصفیه آب و همچنین جداسازی استون و آب و بسیاری از موارد دیگر استفاده می شود و در صنایع مختلف مانند پالایشگاه های نفت و کارخانه های شیمیایی عمدتاً برای تصفیه و جداسازی بسیاری از ترکیبات آلی استفاده می شود.

این روش برای جداسازی اجزاء هوا (مایع شده) نیز استفاده می شود. اجزایی مانند نیتروژن مایع، اکسیژن و همچنین آرگون غلیظ به عنوان محصول به دست می آید.

این روش در آزمایشگاه ها و در صنایع بسیار مورد استفاده قرار می گیرد و دارای اهمیت تجاری زیادی است. صنایع شیمیایی و پالایشگاه های نفت برای تولید فرآورده های خود به تقطیر جز به جز متکی هستند. 

تفاوت تقطیر ساده و تقطیر جزء به جزء چیست؟
تقطیر ساده سریع تر و ساده تر است و انرژی کمتری مصرف می کند، اما تنها در مواردی مفید است که اختلاف زیادی بین نقاط جوش جزهای مورد نظر (بیش از 70 درجه سانتی گراد) وجود داشته باشد. اما اگر اختلاف دمای کمی بین جزها وجود داشته باشد، تقطیر جز به جز بهترین روش برای جداسازی است.

کاربرد تقطیر جزء به جزء در صنعت:
نمونه متداول تقطیر جزء به جزء در صنایع، جداسازی اجزای مختلف نفت خام است. نفت خام به طور معمول حاوی موادی مانند موم پارافین، بنزین، گازوئیل، نفتا، نفت روانکاری و نفت سفید است. فرآیند تقطیر به جداسازی موثر این اجزا کمک می کند.

نفت خام در محفظه اضافه می شود و با بخار فشار بالا گرم می شود. مخلوط شروع به جوشیدن می کند و بخار تشکیل می شود. در این مرحله، مواد مختلف وارد فاز بخار می شوند. بخار در ستون تقطیر جز به جز که از چندین صفحه تشکیل شده است بالا می رود. صفحات دارای سوراخ هایی هستند که باعث می شود بخار از درون آن عبور کند. دما معمولاً در بالای ستون تقسیم پایین نگه داشته می شود.

در اینجا، اجزای با بیشترین نقطه جوش در قسمت پایین ستون متراکم می شوند در حالی که مواد با نقطه جوش کم در قسمت بالایی متراکم می شوند. بخارات متراکم یا جزهای مایع از کناره های ستون خارج می شوند. بخش های مایع جمع شده را می توان از طریق کندانسورها عبور داد تا حتی بیشتر خنک شوند.

روشهای مختلفی برای طبقه بندی بخش های مفیدی که از نفت خام تقطیر می شوند وجود دارد. یک روش کلی آن، تقسیم به سه دسته جز به جز سبک، میانی و سنگین است. اجزای سنگین تر در دماهای بالاتر متراکم می شوند و در پایین ستون جمع اوری می شوند. جزهای سبک تر قبل از سرد شدن در دمای چگالش، می توانند در ستون بالاتر بروند و در سطوح کمی بالاتر برداشته شوند.

جداسازی اجزاء نفت خام با تقطیر جز به جز:
تقطیر سبک یکی از مهم ترین بخش ها است و محصولات آن دارای نقطه جوش حدود 70-200 درجه سانتی گراد می باشد. هیدروکربن های مفید در این محدوده شامل بنزین، نفتا (ماده اولیه شیمیایی)، نفت سفید، سوخت جت و پارافین است. این محصولات بسیار فرار هستند، مولکول های کوچکی دارند، دارای نقطه جوش کم هستند، به راحتی جریان می یابند و به راحتی مشتعل می شوند.

تقطیر متوسط شامل محصولاتی است که دارای نقطه جوش 200-350 درجه سانتی گراد هستند. محصولات موجود در این محدوده شامل سوخت دیزل و گازوئیل است که در ساخت گاز شهری و گرمایش تجاری استفاده می شود.

تقطیر سنگین شامل محصولاتی با کمترین نوسان و دارای نقطه جوش بالاتر از 350 درجه سانتی گراد است. این جزءها می توانند جامد یا نیمه جامد باشند و برای جریان یافتن باید گرم شوند. مازوت در این بخش تولید می شود. این محصولات دارای مولکول های بزرگی هستند، نوسانات کمی دارند، جریان کمی دارند و به راحتی مشتعل نمی شوند.

با این حال، دو مولفه اصلی وجود دارد که در این سه دسته طبقه بندی نمی شوند. در بالای برج گازهایی وجود دارند که بیش از حد متراکم هستند و نمی توانند متراکم شوند، مانند پروپان و بوتان. در پایین "باقیمانده" وجود دارد که دارای مولکول های بسیار سنگین و بسیار متراکم می باشد، از جمله قیر و موم های دیگر. این دو دسته را برای تقطیر بیشتر تحت تقطیر بخار یا خلا قرار می دهند زیرا کارایی بسیاری در صنعت دارند.

آزمایش تقطیر جز به جز:
تقطیر جز به جز الکل و آب نمی تواند اجزای مخلوط اتانول و آب را با وجود نقاط جوش مختلف این دو ماده شیمیایی را کاملاً جداسازی کند. آب در 100 درجه سانتی گراد می جوشد در حالی که اتانول در 78.4 درجه سانتی گراد می جوشد.

اگر مخلوط الکل و آب جوشانده شود، اتانول در بخار متمرکز می شود، اما فقط تا یک نقطه، زیرا الکل و آب یک آزوتروپ تشکیل می دهند. هنگامی که این مخلوط به جایی برسد که از 96٪ اتانول و 4٪ آب تشکیل شده باشد، ترکیب نسبت به اتانول فرارتر است (در 78.2 درجه سانتی گراد می جوشد).

طراحی ستون های تقطیر جزء به جزء:
دو نوع عمده ستون تقطیر مورد استفاده شامل ستون های سینی و بسته بندی می باشد. ستون های بسته بندی معمولاً برای برج های کوچک تر و بارهایی که خورنده یا حساس به دما هستند یا برای سرویس خلا که افت فشار مهم است استفاده می شوند.

از طرف دیگر ستون های سینی برای ستون های بزرگ تر با بار مایع زیاد استفاده می شوند. آنها اولین بار در دهه 1820 در صحنه ظاهر شدند. در بیشتر عملیات پالایش نفت، ستون های سینی عمدتا برای جداسازی بخش های مختلف نفت در مراحل مختلف تصفیه استفاده می شود.

در صنعت پالایش نفت، طراحی و بهره برداری از برج های تقسیم هنوز به طور تجربی انجام می شود. محاسبات مربوط به طراحی ستون های تقطیر نفت در عمل معمولا به استفاده از نمودارهای قابل شمارش، جداول و معادلات تجربی پیچیده نیاز دارد. با این وجود، در سال های اخیر، کارهای قابل توجهی برای توسعه روشهای طراحی کارآمد و قابل اعتماد با کمک رایانه برای تقطیر فرکشنال انجام شده است.

تقطیر جز به جز هوای مایع چیست؟
برای جداسازی اجزاء هوا ابتدا آن را از بین صافیهای ریز عبور می دهند تا ذرات گرد و غبار موجود در هوا گرفته شود. سپس هوا را تا دمای 80- درجه سانتی گراد سرد کرده و آب و کربن دی اکسید را به صورت جامد از جدا می کنند. سپس هوای سرد را تا فشار 100 اتمسفر فشرده می کنند و به صورت ناگهانی آن را منبسط می کنند.

فرآیند فشرده سازی و انبساط را به طور مداوم تکرار می کنند تا دمای هوا به کمتر از 200- درجه سانتی گراد برسد. در این دما، اجزای اصلی هوا به مایع تبدیل می شوند. در ستون تقطیر جزء به جزء دمای هوای مایع را به آرامی افزایش می دهند تا اجزاء آن در دمای جوش خود تبخیر شده، از ستون تقطیر خارج شود و بخارات حاصل را به طور جداگانه در مخزن های بزرگ جمع آوری می کنند.

در بین اجزاء هوا اکسیژن دارای دمای جوش 183- درجه سانتی گراد است، نیتروژن دارای دمای جوش 196- درجه سانتی گراد و هلیم دارای دمای جوش 269- درجه سانتی گراد است. این روش در مبحث تقطیر جز به جز هوای مایع شیمی دهم به طور کامل شرح داده شده است. برای درک بهتر این روند می توانید فیلم تقطیر جز به جز هوای مایع را نیز در اینترنت ببینید.

مزایای تقطیر جزء به جزء:
یکی از بزرگ ترین 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 می شود که این کار روند را حتی ساده تر می کند.

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 می شود.

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 می توان نتیجه گرفت که این روش به پیشرفت و نوسازی زندگی بشر کمک زیادی کرده است.

معایب تقطیر جزء به جزء:
از آنجاییکه این روش در طیف وسیعی از فرآیندهای صنعتی استفاده می شود، بسیار مهم و سودمند می باشد. با این حال، این روش چندین معایب را نیز به همراه دارد.

ممکن است گران باشد:
در سطح صنعتی، ساخت دستگاه تقطیر جز به جز هزینه بالایی دارد زیرا به ساختارهای بزرگ، مواد سنگین و ماشین آلات تخصصی نیاز دارد. البته دستگاه تقطیر جز به جز آزمایشگاهی با هزینه بسیار کمتر امکان پذیر است.

همچنین لازم است کارکنان در زمینه عملکرد سیستم ها کاملاً آموزش ببینند تا اطمینان حاصل کنند که آنها از نحوه استفاده از تجهیزات تقطیر مطلع هستند و اشتباه نمی کنند. بنابراین، قبل از تأسیس یک پالایشگاه نفت یا کارخانه صنعتی، مالکان ابتدا باید مبلغ قابل توجهی را صرف آموزش و آماده سازی کنند.

با خطرات عملیاتی همراه است:
درست مانند هر فرآیندی که از گرما استفاده می کند، تقطیر جز به جز طیف وسیعی از خطرات را برای افرادی که با آن کار می کنند، ایجاد می کند. یکی از بزرگ ترین خطرات انفجار است که اگر سیستم با اقدامات احتیاطی مناسب مجهز نباشد، می تواند رخ دهد.

می تواند باعث آلودگی محیط زیست شود:
این روش به خودی خود برای محیط زیست مضر نیست. آسیب اکولوژیکی آن به انواع مخلوط های مقطر بستگی دارد. به عنوان مثال تصفیه نفت خام می تواند منجر به آزاد شدن مقادیر زیادی مواد شیمیایی مضر در جو شود. همچنین می تواند به آلودگی رودخانه ها، جویبارها کمک کند که این امر می تواند در صورت تخلیه نادرست فاضلاب از تصفیه خانه ها اتفاق بیفتد.