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.

Συσκευή

πηγή θερμότητας, όπως θερμαντική πλάκα με λουτρό και ιδανικά με μαγνητικό αναδευτήρα.
φιάλη απόσταξης, τυπικά μια σφαιρική φιάλη
φιάλη υποδοχής, συχνά επίσης μια σφαιρική φιάλη
κλασματική στήλη
θερμόμετρο και προσαρμογέα αν χρειάζεται
συμπυκνωτή, όπως συμπυκνωτή Λίμπιχ, συμπυκνωτή Γκράχαμ ή συμπυκνωτή Αλίν
προσαρμογέα κενού (που δεν χρησιμοποιείται στην εικόνα στα δεξιά)
πέτρες βρασμού, γνωστά επίσης ως αντιαφριστικά σφαιρίδια
Τυπικά υαλικά εργαστηρίου με συνδέσμους εσμυρισμένου γυαλιού, π.χ. συσκευή quickfit.

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.

Βιομηχανική απόσταξη

Η κλασματική απόσταξη είναι η πιο συνηθισμένη μορφή τεχνολογίας διαχωρισμού που χρησιμοποιείται σε εγκαταστάσεις διυλιστηρίων πετρελαίου, πετροχημικών, χημικά εργοστάσια, επεξεργασίας φυσικού αερίου και διαχωρισμού αέρα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η απόσταξη λειτουργεί σε μια continuous steady state. Νέα τροφοδοσία προστίθεται πάντα στην αποστακτική στήλη και τα προϊόντα αφαιρούνται πάντα. Εκτός και η διαδικασία διαταράσσεται λόγω αλλαγών στην τροφοδοσία, στη θέρμανση, στην θερμοκρασία περιβάλλοντος ή τη συμπύκνωση η ποσότητα της τροφοδοσίας που προστίθεται και η ποσότητα του προϊόντος που αφαιρείται είναι κανονικά ίσες. Αυτό είναι γνωστό ως συνεχής, σταθερής κατάστασης κλασματική απόσταξη.

Η βιομηχανική απόσταξη εκτελείται τυπικά σε μεγάλες, κάθετες κυλινδρικές στήλες γνωστές ως "distillation or fractionation towers" ή "στήλες απόσταξης" με διαμέτρους από περίπου 65 εκατοστά έως 6 μέτρα και ύψη από περίπου 6 μέτρα μέχρι 60 μέτρα ή περισσότερο. Οι πύργοι απόσταξης έχουν υγρές εξόδους σε διαστήματα πάνω στη στήλη που επιτρέπουν την απομάκρυνση διαφορετικών κλασμάτων ή προϊόντων που έχουν διαφορετικά boiling points ή περιοχές βρασμού. Αυξάνοντας τη θερμοκρασία του προϊόντος νέσα στις στήλες, διαχωρίζονται οι διαφορετικοί υδρογονάναθρακες. Τα "πιο ελαφριά" προϊόντα (αυτά με το πιο χαμηλό σημείο βρασμού) εξέρχονται από την κορυφή των στηλών και τα "πιο βαριά" προϊόντα (αυτά με τα πιο υψηλά σημεία βρασμού) εξέρχονται από τον πυθμένα της στήλης.

Παραδείγματος χάριν, η κλασματική απόσταξη χρησιμοποιείται στα διυλιστήρια πετρελαίου για τον διαχωρισμό αργού πετρελαίου σε χρήσιμες ουσίες (ή κλάσματα) που έχουν διαφορετικούς υδρογονάνθρακες ή διαφορετικά σημεία βρασμού. Τα κλάσματα αργού πετρελαίου με υψηλότερα σημεία βρασμού:

 έχουν περισσότερα άτομα άνθρακα
 έχουν υψηλότερες σχετικές μοριακές μάζες
 έχουν περισσότερο διακλαδισμένες αλυσίδες αλκανίων
 είναι πιο σκούρα στο χρώμα
 είναι πιο ιξώδη
 είναι πιο δύσκολο να αναφλεγούν και να καούν

Οι βιομηχανικοί πύργοι μεγάλης κλίμακας χρησιμοποιούν επαναρροή για να πετύχουν έναν πιο πλήρη διαχωρισμό προϊόντων. Η επαναρροή αναφέρεται στο κλάσμα του συμπυκνωμένου υγρού προϊόντος της κεφαλής από έναν πύργο απόσταξης ή κλασμάτωσης που επιστρέφεται στο ανώτερο μέρος του πύργου όπως φαίνεται στο σχηματικό διάγραμμα  ενός τυπικού, μεγάλης κλίμακας βιομηχανικού πύργου απόσταξης. Μες τον πύργο, το υγρό επαναρροής ρέει προς τα κάτω παρέχοντας την απαραίτητη ψύξη για τη συμπύκνωση των ατμών που ρέουν προς τα πάνω, με συνέπεια καλύτερο αποτέλεσμα για τον πύργο απόσταξης. Όσο περισσότερη επαναρροή παρέχεται για έναν δεδομένο αριθμό θεωρητικών πλακών, τόσο καλύτερος ο διαχωρισμός στον πύργο των υλικών με χαμηλότερα σημεία βρασμού από αυτά με υψηλότερα σημεία βρασμού. Εναλλακτικά, όσο μεγαλύτερη επαναρροή παρέχεται για έναν δεδομένο επιθυμητό διαχωρισμό, τόσο λιγότερες θεωρητικές πλάκες απαιτούνται.

Η κλασματική απόσταξη χρησιμοποιείται επίσης στον διαχωρισμό του αέρα, παράγοντας υγρό οξυγόνο, υγρό άζωτο και υψηλής συγκέντρωσης αργό.  Η απόσταξη των χλωροσιλανίων ενεργοποιεί επίσης την παραγωγή υψηλής καθαρότητας πυριτίου για χρήση ως ημιαγωγού.

Στις βιομηχανικές χρήσεις, μερικές φορές ένα υλικό πλήρωσης χρησιμοποιείται στην στήλη αντί για δίσκους, ειδικά όταν απαιτείται χαμηλή πίεση κατά μήκος της στήλης, όπως κατά τη λειτουργία σε κενό. Αυτό το υλικό πλήρωσης μπορεί να είναι είτε τυχαίο (πλάτους 1-3 ίντσες) όπως δακτύλιοι Ράσινγκ ή δομημένα μεταλλικά φύλλα. Τυπικοί κατασκευαστές είναι Koch, Sulzer και άλλες εταιρείες. Τα υγρά τείνουν να διαβρέξουν την επιφάνεια της συσκευασίας και οι ατμοί περνούν μέσα από αυτή τη διαποτισμένη επιφάνεια, όπου λαμβάνει χώρα μεταφορά μάζας. Αντίθετα με τη συμβατική απόσταξη δίσκου στην οποία κάθε δίσκος αντιπροσωπεύει ένα ξεχωριστό σημείο της ισορροπίας ατμού-υγρού η καμπύλη ισορροπίας ατμού-υγρού σε μια γεμισμένη στήλη είναι συνεχής. Όμως, στις πρότυπες γεμισμένες στήλες είναι χρήσιμο να υπολογίζεται ένας αριθμός "θεωρητικών πλακών" για να δηλωθεί η αποτελεσματικότητα διαχωρισμού της γεμισμένης στήλης ως προς τους πιο παραδοσιακούς δίσκους. Τα διαφορετικά σχηματοποιημένα γεμίσματα έχουν διαφορετικά εμβαδά επιφάνειας και κενά διαστήματα μεταξύ των γεμισμάτων. Και οι δύο αυτοί παράγοντες επηρεάζουν την απόδοση του γεμίσματος.

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.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
Validating Your Binary VLE Data
Chemistry Activity: Fractional Distillation

Απόσταξη
Βιομηχανικές διεργασίες