مكثف (مختبري)

لكي يتكثف أي مادة من بخار نقي، يجب أن يكون ضغط البخار أعلى من ضغط بخار السائل المجاور؛ أي أن درجة حرارة السائل يجب أن تكون أقل من درجة غليانه عند ذلك الضغط. في معظم التصاميم، يكون السائل مجرد طبقة رقيقة على السطح الداخلي للمكثف، لذا فإن درجة حرارته تكاد تكون مماثلة لدرجة حرارة ذلك السطح. لذلك، فإن الاعتبار الأساسي في تصميم أو اختيار المكثف هو ضمان أن تكون درجة حرارة سطحه الداخلي أقل من درجة غليان السائل.

عند تكثف البخار، تنطلق حرارة التبخر ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة السطح الداخلي للمكثف. لذا، يجب أن يكون المكثف قادرًا على إزالة هذه الطاقة الحرارية بسرعة كافية للحفاظ على درجة حرارة منخفضة عند أقصى معدل تكثف متوقع. ويمكن معالجة هذه المشكلة بزيادة مساحة سطح التكثف، أو بتقليل سمك الجدار، أو بتوفير مشتت حراري فعال (مثل الماء المتداول) على الجانب الآخر.

يجب تصميم المكثف بحيث يتدفق السائل المكثف منه بأقصى معدل (الكتلة مقسومة على الزمن) يُتوقع أن يدخله البخار. كما يجب الحرص على منع دخول السائل المغلي إلى المكثف نتيجة تناثره بسبب الغليان الانفجاري ، أو قطراته المتكونة عند انفجار الفقاعات.

تُطبَّق اعتبارات إضافية إذا لم يكن الغاز داخل المكثف بخارًا نقيًا للسائل المطلوب، بل خليطًا من غازات ذات درجة غليان أقل بكثير (كما قد يحدث في التقطير الجاف ، على سبيل المثال). في هذه الحالة، يجب مراعاة الضغط الجزئي للبخار عند حساب درجة حرارة التكثيف. على سبيل المثال، إذا كان الغاز الداخل إلى المكثف خليطًا من 25% بخار إيثانول و75% ثاني أكسيد الكربون (بالمولات) عند ضغط 100 كيلو باسكال (الضغط الجوي النموذجي)، فيجب الحفاظ على درجة حرارة سطح التكثيف أقل من 48  درجة مئوية، وهي درجة غليان الإيثانول عند ضغط 25 كيلو باسكال.

علاوة على ذلك، إذا لم يكن الغاز بخارًا نقيًا، فإن التكثيف سيُشكّل طبقة من الغاز ذات محتوى بخاري أقل بكثير بجوار سطح التكثيف مباشرةً، مما يُؤدي إلى انخفاض درجة الغليان. لذلك، يجب أن يكون تصميم المكثف بحيث يختلط الغاز جيدًا و/أو يُجبر على المرور بالقرب من سطح التكثيف.

وأخيرًا، إذا كان المدخل إلى المكثف عبارة عن خليط من سائلين أو أكثر قابلين للامتزاج (كما هو الحال في التقطير التجزيئي )، فيجب مراعاة ضغط البخار ونسبة الغاز لكل مكون، وهو ما يعتمد على تركيب السائل وكذلك درجة حرارته؛ وتختلف كل هذه المعلمات عادةً على طول المكثف.

يمكن تقسيم معظم المكثفات إلى فئتين رئيسيتين.

تستقبل المكثفات المتزامنة البخار من خلال منفذ واحد وتُخرج السائل من خلال منفذ آخر، كما هو مطلوب في التقطير البسيط. وعادةً ما يتم تركيبها عموديًا أو مائلة، مع وجود مدخل البخار في الأعلى ومخرج السائل في الأسفل.

تهدف المكثفات ذات التيار المعاكس إلى إعادة السائل نحو مصدر البخار، كما هو مطلوب في التقطير الارتجاعي والتقطير التجزيئي. وعادةً ما تُركّب عموديًا فوق مصدر البخار الذي يدخلها من الأسفل. وفي كلتا الحالتين، يُسمح للسائل المكثف بالتدفق عائدًا إلى المصدر بفعل وزنه. ^{[ 4 ]}

التصنيف ليس حصريًا، حيث يمكن استخدام عدة أنواع في كلا الوضعين.

أبسط أنواع المكثفات هو أنبوب مستقيم ، يُبرَّد فقط بواسطة الهواء المحيط. يُثبَّت الأنبوب في وضع رأسي أو مائل، ويُمرَّر البخار من خلال طرفه العلوي. وتُنقل حرارة التكثيف بالحمل الحراري .

يُعد عنق المفاعل مثالًا كلاسيكيًا على المكثف ذي الأنبوب المستقيم. مع ذلك، قد يكون هذا النوع من المكثفات جهازًا منفصلًا. لم يعد المكثف ذو الأنبوب المستقيم شائع الاستخدام في مختبرات الأبحاث، ولكنه قد يُستخدم في تطبيقات خاصة وعروض توضيحية مدرسية بسيطة.

يُعدّ المكثف ذو الرأس الثابت نوعًا قديمًا آخر من المكثفات المبردة بالهواء. ويتكون من وعاء كروي الشكل تقريبًا بفتحة في أسفله، يُدخل من خلالها البخار. يتكثف البخار على الجدار الداخلي للوعاء، ويتساقط على طوله، ويتجمع في أسفل الرأس، ثم يُصرّف عبر أنبوب إلى وعاء تجميع أسفله. يمنع حافة مرتفعة حول فتحة الإدخال انسكاب السائل. وكما هو الحال في المكثف الأنبوبي، تُنقل حرارة التكثيف بالحمل الحراري الطبيعي. أي بخار لا يتكثف في الرأس قد يتكثف في العنق.

نادرًا ما تُستخدم المكثفات من نوع رأس التقطير في المختبرات الآن، وعادة ما يتم تركيب نوع آخر من مكثفات الارتداد فوقها حيث يحدث معظم التكثيف.

يُعدّ مكثف ليبيغ أبسط تصميم للمكثفات ذات سائل التبريد المتداول، وهو سهل البناء وغير مكلف. سُمّيَ نسبةً إلى جوستوس فون ليبيغ، ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} الذي طوّر تصميمًا سابقًا لويغل ^{[ 10 ]} وغوتلينغ ^{[ 11 ]} ونشره على نطاق واسع. يتكون المكثف من أنبوبين زجاجيين مستقيمين متحدي المركز، الأنبوب الداخلي أطول ويبرز من طرفيه. تُغلق نهايتا الأنبوب الخارجي (عادةً بحلقة زجاجية منفوخة)، لتشكيل غلاف مائي، ويُزوّد ​​بفتحات جانبية قرب نهايتيه لتدفق سائل التبريد. أما نهايتا الأنبوب الداخلي، الذي يحمل البخار والسائل المكثف، فتكونان مفتوحتين.

بالمقارنة مع الأنبوب المبرد بالهواء البسيط، فإن مكثف ليبيج أكثر كفاءة في إزالة حرارة التكثيف وفي الحفاظ على السطح الداخلي عند درجة حرارة منخفضة مستقرة.

يُعدّ مكثف ويست نوعًا مُعدّلًا من مكثف ليبيغ، بتصميم أنحف، ويتكون من مخروط ومقبس. وقد يُسهم غلاف التبريد الأضيق المُدمج في تبريد أكثر كفاءة من حيث استهلاك سائل التبريد.

سُمّي مكثف ألين، أو المكثف البصلي، نسبةً إلى فيليكس ريتشارد ألين (1854-1915). ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} يتكون مكثف ألين من أنبوب زجاجي طويل مزود بغلاف مائي . تعمل سلسلة من البصيلات على الأنبوب على زيادة مساحة السطح التي يمكن أن تتكثف عليها مكونات البخار. يُعد هذا المكثف مثاليًا لعمليات الارتجاع على نطاق المختبر ؛ بل إن مصطلح " مكثف الارتجاع" غالبًا ما يشير إلى هذا النوع تحديدًا.

مكثف ديفيز ، المعروف أيضًا بالمكثف ذي السطح المزدوج ، يشبه مكثف ليبيغ، لكنه يتكون من ثلاثة أنابيب زجاجية متحدة المركز بدلًا من اثنين. يدور سائل التبريد في كل من الغلاف الخارجي والأنبوب المركزي، مما يزيد من مساحة التبريد، وبالتالي يمكن أن يكون المكثف أقصر من مكثف ليبيغ المكافئ. ووفقًا لآلان غال، أمين أرشيف معهد العلوم والتكنولوجيا في شيفيلد، إنجلترا، فإن كتالوج عام 1981 لشركة أدولف غالينكامب وشركاه في لندن (صانعي الأجهزة العلمية) يذكر أن مكثف ديفيز اخترعه جيمس ديفيز، أحد مديري شركة غالينكامب. ^{[ 15 ]} في عام 1904، عرضت شركة غالينكامب "مكثفات ديفيز" للبيع. ^{[ 16 ]} وفي عام 1920، أدرجت غالينكامب اسم "ج. ديفيز" كمدير للشركة. ^{[ 17 ]}

يحتوي مكثف غراهام أو مكثفات غراهام على ملف حلزوني مُغلّف بسائل تبريد يمتد على طول المكثف ، ويعمل كمسار للبخار والمكثف. يجب عدم الخلط بينه وبين مكثف الملف. توفر أنابيب المكثف الحلزونية الداخلية مساحة سطح أكبر للتبريد، ولذلك يُفضّل استخدامه. لكن من عيوب هذا المكثف أنه عند تكثف الأبخرة، تميل إلى الصعود داخل الأنبوب لتتبخر، مما قد يؤدي إلى غمر خليط المحلول. ^{[ 18 ]} يُطلق عليه أيضًا اسم مكثف الإيرادات الداخلية نظرًا للتطبيق الذي صُمم من أجله.

المكثف الملفي هو في الأساس مكثف غراهام ذو تكوين معكوس للمبرد والبخار. يحتوي على ملف حلزوني يمتد على طول المكثف يتدفق من خلاله المبرد، ويتم تغليف هذا الملف بواسطة مسار البخار والمكثف.

مكثف ديمروث ، المعروف أيضًا بالمكثف الحلزوني ، نسبةً إلى أوتو ديمروث ، يشبه إلى حد ما المكثف الملفي؛ إذ يحتوي على حلزون داخلي مزدوج يتدفق عبره سائل التبريد بحيث يكون مدخل ومخرج سائل التبريد في الأعلى. ^{[ 19 ] [ 20 ]} تنتقل الأبخرة عبر الغلاف من الأسفل إلى الأعلى. مكثفات ديمروث أكثر كفاءة من المكثفات الملفية التقليدية. غالبًا ما توجد في المبخرات الدوارة التي قد تستخدم تصميمًا أكثر تعقيدًا مع عدة حلزونات. يوجد أيضًا نوع من مكثف ديمروث بغلاف خارجي، كما هو الحال في مكثف ديفيز، لزيادة مساحة التبريد.

الإصبع البارد هو جهاز تبريد على شكل أنبوب رأسي يُبرّد من الداخل، ويُغمر في البخار مع تثبيته من طرفه العلوي فقط. قد يكون هذا الجهاز مُبرّدًا بالتدفق، حيث توجد فتحتا التبريد في الأعلى، أو مفتوحًا من الأعلى حيث يُوضع سائل أو مادة تبريد صلبة بداخله. يُفترض أن يتكثف البخار على الأنبوب ويتساقط من الطرف الحر، ليصل في النهاية إلى وعاء التجميع. قد يكون الإصبع البارد قطعة منفصلة من المعدات، أو جزءًا من مكثف من نوع آخر. تُستخدم الأصابع الباردة أيضًا لتكثيف الأبخرة الناتجة عن التسامي، وفي هذه الحالة تكون النتيجة مادة صلبة تلتصق بالإصبع ويجب كشطها، أو كمصيدة باردة ، حيث لا يُراد للمكثف السائل أو الصلب أن يعود إلى مصدر البخار (يُستخدم غالبًا لحماية مضخات التفريغ و/أو منع تسرب الغازات الضارة).

اخترع فريتز والتر بول فريدريش مكثف فريدريش (يُكتب أحيانًا خطأً Friedrich's) ، ونشر تصميمًا لهذا النوع من المكثفات عام 1912. ^{[ 21 ]} يتكون المكثف من أنبوب تبريد كبير مُبرّد بالماء، مُثبّت بإحكام داخل غلاف أسطواني عريض. يحتوي الأنبوب على نتوء حلزوني على طوله، مما يُتيح مسارًا حلزونيًا ضيقًا للبخار. يُجبر هذا التصميم البخار على البقاء لفترة طويلة مُلامسًا للأنبوب.

يتكون عمود فيغرو ، الذي سُمي نسبةً إلى صانع الزجاج الفرنسي هنري فيغرو (1869-1951) الذي اخترعه عام 1904، من أنبوب زجاجي عريض مزود بـ"أصابع" زجاجية داخلية متعددة تتجه نحو الأسفل. تُصنع كل "أصابع" عن طريق صهر جزء صغير من جدار الأنبوب ودفع الزجاج اللين إلى الداخل. يتكثف البخار الداخل من الفتحة السفلية على الأصابع ويتساقط منها. ^{[ 22 ] [ 23 ]} يُبرد عادةً بالهواء، ولكن قد يُزود بغلاف زجاجي خارجي للتبريد القسري بالسوائل.

عمود سنايدر عبارة عن أنبوب زجاجي عريض مُقسّم إلى أقسام (عادةً من 3 إلى 6 أقسام) بواسطة فواصل أو تضييقات زجاجية أفقية. يحتوي كل قسم على فتحة، تُوضع فيها حبة زجاجية مجوفة على شكل "قطرة دمعة" مقلوبة. تحدّ "أصابع" زجاجية شبيهة بأصابع فيغرو من الحركة الرأسية لكل حبة. ^{[ 24 ]} تعمل هذه السدادات الزجاجية العائمة كصمامات مانعة للرجوع، حيث تُغلق وتُفتح مع تدفق البخار، مما يُحسّن من مزج البخار والمكثف. يُمكن استخدام عمود سنايدر مع مُركّز كوديرنا-دانيش لفصل مُذيب استخلاص منخفض الغليان ، مثل كلوريد الميثيلين، بكفاءة عن مُكوّنات المُستخلص المُتطايرة ذات درجة الغليان الأعلى (على سبيل المثال، بعد استخلاص المُلوّثات العضوية من التربة). ^{[ 25 ]}

طُوِّر عمود ويدمر كمشروع بحثي لنيل درجة الدكتوراه من قِبَل الطالب غوستاف ويدمر في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich) في أوائل عشرينيات القرن العشرين، حيث جمع بين ترتيب غولوديتز للأنابيب متحدة المركز وقضيب دوفون ذي النواة الحلزونية. يتكون العمود من أربعة أنابيب زجاجية متحدة المركز وقضيب زجاجي مركزي، مع قضيب زجاجي أرق ملفوف حوله لزيادة مساحة السطح. يشكل الأنبوبان الخارجيان (رقم 3 ورقم 4) حجرة عازلة للهواء الساكن (مظللة). يصعد البخار من دورق الغليان إلى الحيز (1)، ثم يمر عبر الحيز بين الأنبوبين رقم 2 ورقم 3، ثم ينزل عبر الحيز بين الأنبوبين رقم 1 ورقم 2، وأخيرًا يصعد بين الأنبوب رقم 1 والقضيب المركزي. عند وصوله إلى الحيز (3)، يُوجَّه البخار عبر رأس التقطير (محول زجاجي متفرع) للتبريد والتجميع. ^{[ 26 ] [ 1 ] [ 27 ]}

تم الإبلاغ عن تصميم عمود ويدمر المعدل على نطاق واسع، ولكن دون توثيق، من قبل إل بي كيريدس في عام 1940. ^{[ 28 ]}

العمود المعبأ هو مكثف يُستخدم في التقطير التجزيئي . يتكون بشكل أساسي من أنبوب مملوء بجزيئات صغيرة لزيادة مساحة السطح وعدد الصفائح النظرية . قد يكون الأنبوب قناة داخلية من نوع آخر، مثل ليبيغ أو ألهين. ^{[ 3 ]} يمكن لهذه الأعمدة أن تحقق عدد صفائح نظرية يتراوح بين 1 و2 لكل 5  سم من طول التعبئة. ^{[ 29 ]}

استُخدمت مجموعة واسعة من مواد التعبئة وأشكال الأجسام، بما في ذلك الخرز والحلقات واللوالب (مثل حلقات فينسكي أو راشيج أو ليسينج ) المصنوعة من الزجاج أو الخزف أو الألومنيوم أو النحاس أو النيكل أو الفولاذ المقاوم للصدأ ؛ وأسلاك النيكروم والإنكونيل (المشابهة لأعمدة بودبيلنياك )، وشاش الفولاذ المقاوم للصدأ ( ^حلقات ديكسون )، إلخ. [ ^{29 ] [ 3 ] تُعرف} تركيبات محددة باسم أعمدة هيمبل وتود وستيدمان . [ ^{3 ]}

• يستخدم التقطير ذو الشريط الدوار شريطًا حلزونيًا دوارًا (يتم تدويره بواسطة محرك) داخل أنبوب مستقيم لزيادة خلط البخار الصاعد والسائل المرتجع الهابط.
• تعتمد أعمدة أولدرشو على نفس نظرية التشغيل الخاصة بأعمدة الألواح الصناعية . وهي تتميز بكفاءة عالية في عملية التقطير التجزيئي، ولكنها تعاني من احتباس كبير (كمية السائل الموجودة في العمود أثناء الاستخدام)، كما أن تعقيدها يجعلها من أغلى أنواع الأعمدة الزجاجية.
• يمكن استخدام الأنابيب المستقيمة ، أو مكثفات الهواء ، وهي عبارة عن أنابيب مستقيمة فقط، كعمود ارتداد خام.
• تتكون أعمدة الكمثرى من أجزاء منتفخة متعددة تشبه الكمثرى المقلوبة.