การกลั่นแบบเศษส่วน

การกลั่นแบบเศษส่วน คือกระบวนการแยกสารผสมออกเป็นส่วนประกอบหรือ เฟรกชัน ที่แตกต่างกัน สารเคมีจะถูกแยกออกโดยการทำให้ร้อนจนกระทั่งบางส่วนของสารผสมจะ ระเหย ใช้การ กลั่น เพื่อทำการแยกส่วน โดยปกติแล้วส่วนประกอบจะมี จุดเดือด ที่แตกต่างกันไม่น้อยกว่า 25 °C (45 °F) จากกันภายใต้ความดันหนึ่ง บรรยากาศ หากความแตกต่างของจุดเดือดมากกว่า 25 °C จะใช้การ กลั่นแบบง่าย แทน
หน่วย การกลั่นน้ำมันดิบ ใช้การกลั่นแบบแยกส่วนในกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบ
ประวัติ.
การกลั่นเชิงพาณิชย์ของสารอินทรีย์มีบทบาทสำคัญในงานของศาสตราจารย์อิสลามจากศตวรรษที่ 9 ญาบิร ตัวอย่างเช่นใน Kitāb al-Sabʿīn ('ตำราเจ็ดสิบเล่ม') ซึ่งแปลเป็นภาษาละตินโดย Gerard of Cremona (ค.ศ. 1114–1187) ในชื่อ การทดลองของ ญาบิร ด้วยการกลั่นเชิงพาณิชย์ของสารจากสัตว์และพืช และในระดับที่น้อยกว่าสำหรับสารแร่ธาตุ กลายเป็นหัวข้อหลักของ ซึ่งเป็นงานที่เขียนเป็นภาษาภาษาอาหรับที่ไม่ได้เขียนโดย อิบน์ ซีนา และถูกแปลเป็นภาษาละติน โดยจะกลายเป็นแหล่งข้อมูลทางเคมีที่สำคัญที่สุดของ โรเจอร์ เบคอน (ป. 1220–1292)
การตั้งค่าห้องปฏิบัติการ.
การกลั่นเชิงพาณิชย์ในห้องปฏิบัติการใช้เครื่องมือและอุปกรณ์แก้วที่พบได้ทั่วไป ซึ่งรวมถึง บุนเซนเบอร์เนอร์, ฟลาสก์ก้นกลม, คอนเดนเซอร์, และ คอลัมน์กลั่นเชิงพาณิชย์ ที่ใช้เฉพาะทาง
ยกตัวอย่างเช่น การกลั่นของสารละลายที่ประกอบด้วยน้ำและ เอทานอล เอทานอลเดือดที่ ขณะที่น้ำเดือดที่ ดังนั้นการให้ความร้อนแก่สารละลายจะทำให้สารที่มีความระเหยสูง (เอทานอล) รวมตัวในไอที่ออกมาจากของเหลวมากขึ้น บางส่วนผสมจะสร้าง สารผสมที่มีจุดเดือดต่ำกว่าส่วนประกอบแต่ละตัว ตัวอย่างเช่น การผสมเอทานอล #เปลี่ยนทาง % และน้ำ #เปลี่ยนทาง % เดือดที่ สารผสมนี้มีความระเหยมากกว่าเอทานอลบริสุทธิ์ ดังนั้นเอทานอลไม่สามารถทำให้บริสุทธิ์ได้โดยการกลั่นเชิงพาณิชย์โดยตรงของสารละลายเอทานอล-น้ำ
การตั้งค่าอุปกรณ์จะเป็นดังในแผนภาพ (แผนภาพแสดงถึงอุปกรณ์ในกระบวนการเป็นชุดเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ต่อเนื่อง) สารละลายจะถูกใส่ในฟลาสก์ก้นกลมพร้อมกับกรวดป้องกันการเดือด (หรือบาร์เหล็กเคลือบ เทฟลอน หากใช้ เครื่องกวนแม่เหล็ก) และคอลัมน์กลั่นเชิงพาณิชย์จะติดตั้งที่ด้านบน ฟลาสก์ก้นกลมจะได้รับความร้อนจากด้านล่างของหม้อกลั่น ขณะที่ระยะห่างจากหม้อกลั่นจะสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิในคอลัมน์; เย็นที่สุดที่ด้านบนและร้อนที่สุดที่ด้านล่าง ขณะที่ไอผสมขึ้นไปตามความแตกต่างของอุณหภูมิ บางส่วนของไอจะควบแน่นและระเหยตามความแตกต่างของอุณหภูมิ โดยแต่ละครั้งที่ไอควบแน่นและระเหย จะทำให้ปริมาณของส่วนประกอบที่มีความระเหยสูงในไอเพิ่มขึ้น กระบวนการนี้จะทำให้ไอที่ปล่อยออกมาเป็นส่วนประกอบที่มีความระเหยสูง (หรือสารผสมเชิงพาณิชย์) และไอจะควบแน่นในแพลตฟอร์มแก้วที่รู้จักกันในชื่อ ถาด ภายในคอลัมน์ และไหลกลับลงไปในของเหลวด้านล่าง การไหลกลับ ของเหลวที่ควบแน่น การทำงานของการกลั่นเชิงพาณิชย์จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยการเพิ่มจำนวนของแพลตฟอร์ม (ถึงข้อจำกัดทางปฏิบัติของความร้อน การไหล ฯลฯ) โดยปกติจะตั้งค่าระบบการไหลกลับที่อัตราส่วนประมาณ 4:1 (4 ส่วนของของเหลวที่ไหลกลับต่อ 1 ส่วนที่นำออก)
ในห้องปฏิบัติการกลั่น จะพบคอนเดนเซอร์หลายประเภททั่วไป คอนเดนเซอร์ลิเบิก เป็นท่อตรงภายใน แจ็คเก็ตน้ำ และเป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุด (และราคาไม่แพง) คอนเดนเซอร์เกรแฮม เป็นท่อเกลียวภายในแจ็คเก็ตน้ำ และ คอนเดนเซอร์อัลลิน มีการกีดขวางขนาดใหญ่และเล็กหลายชั้นภายในท่อ เพิ่มพื้นที่ผิวที่ไอสามารถควบแน่นได้
การตั้งค่าอื่นอาจใช้ฟลาสก์รับสารที่มีหลายทางออก (เรียกว่า "วัว" หรือ "หมู") เพื่อเชื่อมต่อฟลาสก์รับสารสามหรือสี่ใบเข้ากับคอนเดนเซอร์ โดยการหมุน วัว หรือ หมู การกลั่นจะถูกส่งไปยังตัวรับที่เลือก เนื่องจากไม่ต้องถอดและเปลี่ยนตัวรับสารในระหว่างกระบวนการกลั่น การตั้งค่านี้จึงมีประโยชน์เมื่อกลั่นภายใต้บรรยากาศที่ไม่ใช่แก๊สสำหรับสารเคมีที่ไวต่ออากาศหรือที่ความดันลดลง เครื่องมือเพอร์กิน เป็นเครื่องมือทางเลือกที่มักใช้ในสถานการณ์เหล่านี้เพราะมันช่วยให้แยกตัวรับออกจากระบบที่เหลือ แต่ต้องถอดและติดตั้งตัวรับหนึ่งอันสำหรับแต่ละส่วน
การกลั่นภายใต้ความดันต่ำ ใช้ความดันต่ำ ซึ่งลดจุดเดือดของวัสดุ อย่างไรก็ตาม เม็ดป้องกันการกระแทก (กรวดป้องกันการเดือด) จะไม่สามารถใช้งานได้ดีที่ความดันต่ำ
การกลั่นในอุตสาหกรรม.
การกลั่นเชิงพาณิชย์เป็นรูปแบบของเทคโนโลยีการแยกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน โรงกลั่นน้ำมัน, โรงปิโตรเคมี และ โรงงานเคมี, การแปรรูปก๊าซธรรมชาติ และ การแยกอากาศแบบความเย็น ในกรณีส่วนใหญ่ การกลั่นจะดำเนินการที่ สถานะต่อเนื่อง คงที่ โดยมีการเพิ่มสารใหม่ตลอดเวลาและการถอดผลิตภัณฑ์ออกตลอดเวลา เว้นแต่จะมีการรบกวนกระบวนการเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสารที่ป้อน ความร้อน อุณหภูมิแวดล้อม หรือการควบแน่น ปริมาณของสารที่ป้อนและปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ถอดออกจะปกติเท่ากัน ซึ่งเรียกว่าการกลั่นเชิงพาณิชย์ในสถานะคงที่ต่อเนื่อง
การกลั่นเชิงพาณิชย์มักดำเนินการในคอลัมน์ทรงกระบอกแนวตั้งขนาดใหญ่ที่เรียกว่า "หอการกลั่น" หรือ "คอลัมน์การกลั่น" โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ประมาณ และความสูงตั้งแต่ประมาณ หรือมากกว่า หอการกลั่นมีทางออกของของเหลวที่ระยะทางต่าง ๆ ขึ้นไปตามคอลัมน์ ซึ่งช่วยให้สามารถดึงสารต่าง ๆ หรือผลิตภัณฑ์ที่มีจุดเดือดหรือช่วงจุดเดือดต่างกันออกไป โดยการเพิ่มอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ภายในคอลัมน์ ผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ จะถูกแยกออก "ผลิตภัณฑ์ที่เบาที่สุด" (ที่มีจุดเดือดต่ำสุด) จะออกจากด้านบนของคอลัมน์ และ "ผลิตภัณฑ์ที่หนักที่สุด" (ที่มีจุดเดือดสูงสุด) จะออกจากด้านล่างของคอลัมน์
ตัวอย่างเช่น การกลั่นเชิงพาณิชย์ใช้ใน โรงกลั่นน้ำมัน เพื่อแยก น้ำมันดิบ เป็นสารที่มีประโยชน์ (หรือสารผสม) ที่มี ไฮโดรคาร์บอน ต่าง ๆ ที่มีจุดเดือดต่างกัน สารผสมของน้ำมันดิบที่มีจุดเดือดสูงกว่า:
หอการกลั่นขนาดใหญ่ใช้ การไหลกลับ เพื่อให้การแยกผลิตภัณฑ์มีความสมบูรณ์มากขึ้น การไหลกลับหมายถึงส่วนของผลิตภัณฑ์ของเหลวที่ควบแน่นจากหอการกลั่นหรือคอลัมน์ที่ถูกส่งกลับไปยังส่วนบนของหอการกลั่น ตามที่แสดงในแผนภาพทางสถิตของหอการกลั่นขนาดใหญ่ภายในหอการกลั่น การไหลกลับของของเหลวที่ไหลลงมาจะให้การทำความเย็นที่จำเป็นในการควบแน่นไอที่ไหลขึ้นไป ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพของหอการกลั่น การไหลกลับมากขึ้นสำหรับจำนวน แผ่นทฤษฎี ที่กำหนด จะทำให้การแยกของหอการกลั่นดีขึ้นในการแยกวัสดุที่มีจุดเดือดต่ำจากวัสดุที่มีจุดเดือดสูง หรือในทางกลับกัน การไหลกลับมากขึ้นสำหรับการแยกที่ต้องการจะทำให้จำนวนน้อยลงของแผ่นทฤษฎีที่ต้องการ
การกลั่นเชิงพาณิชย์ยังใช้ในการแยกอากาศ ผลิต ออกซิเจนของเหลว, ไนโตรเจนของเหลว, และ อาร์กอน ที่มีความเข้มข้นสูง การกลั่น คลอโรซิลาน ยังช่วยในการผลิต ซิลิคอน ที่มีความบริสุทธิ์สูงสำหรับการใช้เป็น เซมิคอนดักเตอร์
ในการใช้ในอุตสาหกรรม บางครั้งใช้วัสดุบรรจุภัณฑ์ในคอลัมน์แทนแผ่น, โดยเฉพาะเมื่อการลดแรงดันในคอลัมน์มีความสำคัญ เช่นเมื่อทำงานภายใต้สูญญากาศ วัสดุบรรจุภัณฑ์นี้อาจเป็นบรรจุภัณฑ์ที่ทิ้งแบบสุ่ม (กว้าง) เช่น แหวนราซิก หรือ แผ่นโลหะที่มีโครงสร้าง ผู้ผลิตทั่วไปได้แก่ Koch, Sulzer และบริษัทอื่น ๆ ของเหลวมักจะเปียกพื้นผิวของบรรจุภัณฑ์และไอจะไหลผ่านพื้นผิวที่เปียกนี้ ซึ่งเป็นที่ที่ การถ่ายเทมวล เกิดขึ้น แตกต่างจากการกลั่นแบบแผ่นทั่วไป ซึ่งทุกแผ่นแทนจุดของ สมดุลไอ-ของเหลว แต่ละแผ่นในคอลัมน์บรรจุภัณฑ์เป็นแบบต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม เมื่อต้องการการออกแบบคอลัมน์บรรจุภัณฑ์ สามารถคำนวณจำนวน แผ่นทฤษฎี เพื่อระบุประสิทธิภาพของคอลัมน์บรรจุภัณฑ์เมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นแบบดั้งเดิม บรรจุภัณฑ์ที่มีรูปทรงต่าง ๆ มีพื้นที่ผิวและ ความพรุน ที่แตกต่างกัน ซึ่งทั้งสองปัจจัยนี้มีผลต่อประสิทธิภาพของบรรจุภัณฑ์
การออกแบบคอลัมน์การกลั่นในอุตสาหกรรม.
การออกแบบและการทำงานของคอลัมน์การกลั่นขึ้นอยู่กับสารที่ป้อนและผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เมื่อต้องการป้อนที่เป็นส่วนประกอบง่าย ๆ และไบนารี วิธีการวิเคราะห์เช่น วิธีแมคคาเบ-ธีล หรือ สมการเฟนสก์ สามารถใช้ได้ สำหรับสารผสมหลายส่วนประกอบ, แบบจำลองการจำลอง จะถูกใช้ทั้งในการออกแบบและการทำงาน
นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของอุปกรณ์การติดต่อระหว่างไอและของเหลว (ที่เรียกว่า "แผ่น" หรือ "ถาด") ที่ใช้ในคอลัมน์การกลั่นมักจะต่ำกว่าประสิทธิภาพของ ขั้นตอนสมดุลทฤษฎี ที่ #เปลี่ยนทาง % ดังนั้น คอลัมน์การกลั่นจึงต้องการแผ่นมากกว่าจำนวนขั้นตอนสมดุลไอ-ของเหลวทฤษฎี
การไหลกลับหมายถึงส่วนของผลิตภัณฑ์ของเหลวที่ควบแน่นจากหอการกลั่นที่ถูกส่งกลับไปยังหอการกลั่น การไหลกลับที่ไหลลงมาจะให้การทำความเย็นที่จำเป็นในการควบแน่นไอที่ไหลขึ้นไป อัตราการไหลกลับ ซึ่งคืออัตราส่วนของการไหลกลับ (ภายใน) ต่อผลิตภัณฑ์ที่อยู่ด้านบน จะมีความสัมพันธ์กับจำนวนของขั้นตอนทฤษฎีที่ต้องการสำหรับการแยกผลิตภัณฑ์การกลั่นอย่างมีประสิทธิภาพ
หอการกลั่นเชิงพาณิชย์หรือคอลัมน์การกลั่นถูกออกแบบมาเพื่อให้การแยกที่ต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบคอลัมน์การกลั่นมักทำในสองขั้นตอน: การออกแบบกระบวนการ และการออกแบบเชิงกล จุดประสงค์ของการออกแบบกระบวนการคือการคำนวณจำนวนขั้นตอนทฤษฎีที่ต้องการและการไหลของกระแส รวมถึงอัตราการไหลกลับ, การไหลกลับความร้อน, และภาระความร้อนอื่น ๆ ในขณะที่การออกแบบเชิงกลมีจุดประสงค์ในการเลือกชิ้นส่วนภายในของหอการกลั่น, เส้นผ่านศูนย์กลางของคอลัมน์, และความสูง ในหลายกรณี การออกแบบเชิงกลของหอการกลั่นไม่ใช่เรื่องง่าย สำหรับการเลือกชิ้นส่วนภายในของหอการกลั่นอย่างมีประสิทธิภาพและการคำนวณความสูงและเส้นผ่านศูนย์กลางของคอลัมน์อย่างแม่นยำ ต้องพิจารณาหลายปัจจัย บางปัจจัยที่เกี่ยวข้องในการคำนวณการออกแบบรวมถึงขนาดและคุณสมบัติของการป้อนและประเภทของคอลัมน์การกลั่นที่ใช้
ประเภทหลักของคอลัมน์การกลั่นที่ใช้คือคอลัมน์แผ่นและคอลัมน์บรรจุภัณฑ์ คอลัมน์บรรจุภัณฑ์มักใช้สำหรับหอการกลั่นขนาดเล็กและการโหลดที่กัดกร่อนหรือไวต่ออุณหภูมิ หรือสำหรับการบริการสูญญากาศที่ความดันลดลงมีความสำคัญ ขณะที่คอลัมน์แผ่นใช้สำหรับคอลัมน์ขนาดใหญ่ที่มีการโหลดของเหลวสูง พวกเขาปรากฏตัวครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1820 ในการดำเนินการกลั่นน้ำมันส่วนใหญ่ คอลัมน์แผ่นมักใช้สำหรับการแยกสารผสมจากน้ำมันในระยะต่าง ๆ ของการกลั่นน้ำมัน
ในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมัน การออกแบบและการทำงานของหอการกลั่นยังคงทำได้ในทางปฏิบัติ ส่วนใหญ่ การคำนวณที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบคอลัมน์การกลั่นน้ำมันต้องใช้แผนภูมิ, ตาราง, และสมการเชิงประจักษ์ที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาเทคนิคการออกแบบที่ช่วยให้การออกแบบคอลัมน์การกลั่นเชิงพาณิชย์มีความแม่นยำและเชื่อถือได้มากขึ้นด้วยการใช้คอมพิวเตอร์