Κλασματική απόσταξη

Κλασματική απόσταξη είναι ο διαχωρισμός ενός μείγματος στα συστατικά του, ή σε κλάσματα, όπως στον διαχωρισμό χημικών ενώσεων με βάση το σημείο βρασμού θερμαίνοντάς τες σε μια θερμοκρασία στην οποία ένα ή περισσότερα κλάσματα της ένωσης θα εξατμιστεί. Είναι ένας ειδικός τύπος απόσταξης. Γενικά τα συστατικά βράζουν σε λιγότερο από 25 °C μεταξύ τους κάτω από πίεση μιας atm. Αν η διαφορά στις θερμοκρασίες βρασμού είναι μεγαλύτερη από 25 °C, χρησιμοποιείται απλή απόσταξη.

Εργαστηριακή ρύθμιση

Η κλασματική απόσταξη σε ένα εργαστήριο χρησιμοποιεί συνηθισμένα υαλικά εργαστηρίου και συσκευές, που τυπικά περιλαμβάνουν έναν λύχνο Μπούνσεν, μια σφαιρική φιάλη και έναν ψυκτήρα, καθώς και την απλού σκοπού κλασματική στήλη.

Συζήτηση

Ως παράδειγμα ας θεωρήσουμε την απόσταξη ενός μείγματος νερού και αιθανόλης. Η αιθανόλη (οινόπνευμα) βράζει στους 78.4 °C, ενώ το νερό στους 100 °C. Έτσι, θερμαίνοντας το μείγμα, το πιο πτητικό συστατικό (αιθανόλη) θα συγκεντρωθεί σε μεγαλύτερο βαθμό στον ατμό αφήνοντας το υγρό. Κάποια μείγματα σχηματίζουν αζεοτροπικά μείγματα, όπου το μείγμα βράζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από κάθε συστατικό. Σε αυτό το παράδειγμα, ένα μείγμα από 96% αιθανόλη και 4% νερό βράζει στους  78.2 °C; το μείγμα είναι πιο πτητικό από την καθαρή αιθανόλη. Για τον λόγο αυτό, η αιθανόλη να καθαριστεί ολότελα με απευθείας κλασματική απόσταξη μειγμάτων αιθανόλης-νερού.
Η συσκευή συναρμολογείται όπως στο διάγραμμα. (Το διάγραμμα αναπαριστά μια συσκευή σταδιακής λειτουργίας αντίθετα προς μια συσκευή αδιάλειπτης λειτουργίας.) Το μείγμα μπαίνει στην σφαιρική φιάλη μαζί με πέτρες βρασμού (ή με ράβδο μαγνητικού αναδευτήρα καλυμμένης με τεφλόν αν χρησιμοποιείται μαγνητική ανάδευση) και η κλασματική στήλη προσαρμόζεται στην κορυφή. Καθώς η απόσταση από τη σφαιρική φιάλη αυξάνεται, σχηματίζεται μια διαβάθμιση της θερμοκρασίας στη στήλη· είναι πιο κρύα στην κορυφή και πιο θερμή στον πυθμένα. Καθώς ο αναμειγμένος ατμός ανεβαίνει την διαβάθμιση της θερμοκρασίας, κάποιος ατμός συμπυκνώνεται και ξαναεξατμίζεται μαζί με τη θερμοβαθμίδα. Κάθε φορά που ο ατμός συμπυκνώνεται και εξατμίζεται, η περιεκτικότητα στο πιο πτητικό συστατικό στον ατμό αυξάνεται. Αυτό αποστάζει τον ατμό κατά μήκος της στήλης και προφανώς ο ατμός αποτελείται μόνο από το πιο πτητικό συστατικό (ή ένα αζεοτροπικό μείγμα). Ο ατμός συμπυκνώνεται στα γυάλινα τοιχώματα, γνωστά ως δίσκοι, μέσα στη στήλη και ξαναγυρίζει πίσω στο υποκείμενο υγρό, με επαναρροή του αποστάγματος. Η αποτελεσματικότητα από πλευράς ποσότητας θέρμανσης και του απαιτούμενου χρόνου για την κλασμάτωση μπορεί να βελτιωθεί μονώνοντας το εξωτερικό της στήλης με ένα μονωτικό όπως μαλλί, φύλο αλουμινίου ή κατά προτίμηση έναν μανδύα κενού . Ο πιο ζεστός δίσκος είναι στον πυθμένα και ο πιο κρύος στην κορυφή. Σε συνθήκες σταθερής κατάστασης, ο ατμός και το υγρό σε κάθε δίσκο είναι σε ισορροπία ατμού-υγρού. Το πιο πτητικό συστατικό του μείγματος φεύγει ως αέριο από την κορυφή της στήλης. Ο ατμός στην κορυφή της στήλης έπειτα περνά στον συμπυκνωτή, όπου ψύχεται μέχρι να υγροποιηθεί. Ο διαχωρισμός είναι πιο καθαρός με την προσθήκη περισσότερων δίσκων (με έναν πρακτικό όριο από θερμότητα, ροή κλπ.). Αρχικά, το συμπύκνωμα θα είναι κοντά στην αζεοτροπική σύσταση, αλλά όταν αρκετή αιθανόλη έχει απομακρυνθεί, το συμπύκνωμα γίνεται σταδιακά πλουσιότερο σε νερό. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι την πλήρη εξάτμιση της αιθανόλης από το μείγμα. Αυτό το σημείο μπορεί να αναγνωριστεί από την απότομη αύξηση στην θερμοκρασία που εμφανίζεται στο θερμόμετρο.
Η παραπάνω εξήγηση αντανακλά τον θεωρητικό τρόπο εργασίας της κλασμάτωσης. Κανονικές στήλες εργαστηριακής κλασμάτωσης θα είναι απλά γυάλινοι σωλήνες (συχνά με μανδύα κενού και μερικές φορές εσωτερικά επαργυρωμένοι) γεμάτοι με μικρούς γυάλινους έλικες με διάμετρο 4 έως 7 mm. Μια τέτοια στήλη μπορεί να βαθμονομηθεί με την απόσταξη ενός γνωστού μείγματος για να ποσοτικοποιηθεί η στήλη από πλευράς αριθμού θεωρητικών δίσκων. Για τη βελτίωση της κλασμάτωσης η συσκευή ρυθμίζεται να επιστρέφει το συμπύκνωμα στη στήλη χρησιμοποιώντας κάποιο είδος διαχωριστή επαναρροής - μια τυπική προσεκτική κλασμάτωση θα χρησιμοποιεί έναν βαθμό επαναρροής περίπου 4:1 (4 μέρη επιστρεφόμενου συμπυκνώματος προς 1 μέρος απομακρυνόμενου συμπυκνώματος).
Στην εργαστηριακή απόσταξη, υπάρχουν πολλοί τύποι συμπυκνωτών. Ο συμπυκνωτής Λίμπιχ είναι απλά ένας όρθιος σωλήνας μέσα σε έναν μανδύα νερού και είναι ο πιο απλός (και σχετικά πιο φτηνός) συμπυκνωτής. Ο συμπυκνωτής Γκράχαμ είναι ένας σπειροειδής σωλήνας μέσα σε έναν μανδύα νερού και ο συμπυκνωτής Αλίν έχει μια σειρά από μικρές και μεγάλες στενώσεις στον εσωτερικό σωλήνα, που ο καθένας αυξάνει το εμβαδόν της επιφάνειας στο οποίο τα συστατικά του ατμού μπορούν να συμπυκνωθούν.
Εναλλακτικές ρυθμίσεις μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια φιάλη υποδοχής αποστάγματος με πολλές εξόδους (που αναφέρεται ως "αγελάδα" ή "χοίρος") για τη σύνδεση τριών ή τεσσάρων φιαλών με τον συμπυκνωτή. Στρίβοντας την αγελάδα ή τον χοίρο, τα αποστάγματα μπορούν να παροχετευτούν σε οποιονδήποτε επιλεγμένο αποδέκτη. Επειδή ο αποδέκτης δεν πρέπει να μετακινηθεί και να αντικατασταθεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απόσταξης, αυτός ο τύπος της συσκευής είναι χρήσιμος για απόσταξη σε αδρανή ατμόσφαιρα για ευαίσθητα στον αέρα χημικά ή σε μειωμένη πίεση. Ένα τρίγωνο Πέρκιν είναι μια εναλλακτική συσκευή που χρησιμοποιείται συχνά σε τέτοιες περιπτώσεις, επειδή επιτρέπει την απομόνωση του αποδέκτη από το υπόλοιπο σύστημα, αλλά απαιτεί απομάκρυνση και επανασύνδεση ενός μοναδικού αποδέκτη για κάθε κλάσμα.
Τα συστήματα απόσταξης σε κενό λειτουργούν σε μειωμένη πίεση, με συνέπεια τη μείωση των σημείων βρασμού των υλικών. Σημειώστε ότι η χρήση των πετρών βρασμού δεν θα δουλέψει σε μειωμένες πιέσεις.

Σχεδιασμός των βιομηχανικών στηλών απόσταξης

Ο σχεδιασμός και η λειτουργία μιας αποστακτικής στήλης εξαρτάται από την τροφοδοσία και τα επιθυμητά προϊόντα. Με δεδομένη μια απλή, διπλή τροφοδοσία υλικού, αναλυτικές μέθοδοι όπως η μέθοδος McCabe-Thiele ή η εξίσωση Φένσκε μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Για τροφοδοσία πολλών συστατικών, χρησιμοποιούνται πρότυπα προσομοίωσης και για τον σχεδιασμό και τη λειτουργία.
Επιπλέον, η απόδοση των χρησιμοποιούμενων συσκευών επαφής ατμού-υγρού (που αναφέρεται ως πλάκες ή δίσκοι) στις στήλες απόσταξης είναι τυπικά χαμηλότερη από τη θεωρητική απόδοση 100% της κατάστασης ισορροπίας. Συνεπώς, μια στήλη απόσταξης χρειάζεται περισσότερες πλάκες από τον θεωρητικό αριθμό των σταδίων ισορροπίας ατμού-υγρού.
Μια ένδειξη αριθμών: ο διαχωρισμός δύο ενώσεων με σχετική πτητικότητα 1,1 απαιτεί τουλάχιστον 130 θεωρητικές πλάκες με ελάχιστο λόγο αντιρροής 20. Με μια σχετική πτητικότητα 4, ο απαιτούμενος αριθμός των θεωρητικών πλακών μειώνεται σε 9 με έναν λόγο αντιρροής 0,66. Μια άλλη πηγή, μια διαφορά του σημείου βρασμού κατά 30 °C απαιτεί 12 θεωρητικές πλάκες και για διαφορά 3 °C, ο αριθμός των πλακών αυξάνεται σε 1.000.
Ο λόγος επαναρροής είναι ο λόγος του αριθμού των mol που επιστρέφουν ως επαναρρέον υγρό στην κλασματική στήλη και του αριθμού των mol του τελικού προϊόντος, και των δύο να εκφράζονται ανά μονάδα χρόνου.