التقطير الكسري

الموسوعة الحرة

التقطير الكسري هو فصل خليط إلى أجزائه المكونة أو الكسور . يتم فصل المركبات الكيميائية عن طريق تسخينها إلى درجة حرارة تتبخر عندها جزء واحد أو أكثر من الخليط . يستخدم التقطير للتجزئة . بشكل عام، تحتوي الأجزاء المكونة على نقاط غليان تختلف عن بعضها البعض بأقل من 25 درجة مئوية (45 درجة فهرنهايت) تحت ضغط جو واحد . إذا كان الفرق في نقاط الغليان أكبر من 25 درجة مئوية، يتم استخدام التقطير البسيط عادةً.

تستخدم وحدة تقطير النفط الخام التقطير الجزئي في عملية تكرير النفط الخام.

تاريخ

لعبت عملية التقطير الكسري للمواد العضوية دورًا مهمًا في أعمال القرن التاسع المنسوبة إلى الكيميائي الإسلامي جابر بن حيان ، كما هو الحال في كتاب السبعين، الذي ترجمه إلى اللاتينية جيرارد الكريموني (حوالي 1114-1187) تحت عنوان Liber de septuaginta . [1] شكلت التجارب الجابرية مع التقطير الكسري للمواد الحيوانية والنباتية، وبدرجة أقل أيضًا للمواد المعدنية، الموضوع الرئيسي لكتاب De anima in arte alkimiae ، وهو عمل عربي أصلي يُنسب زوراً إلى ابن سينا ​​والذي تُرجم إلى اللاتينية وسيستمر في تشكيل أهم مصدر كيميائي لروجر بيكون ( حوالي  1220-1292 ). [2]

إعداد المختبر

تستخدم عملية التقطير الكسري في المختبر أدوات وأجهزة مختبرية شائعة، بما في ذلك عادةً موقد بنسن ، وقارورة ذات قاع مستدير ، ومكثف ، بالإضافة إلى عمود التجزئة أحادي الغرض .

التقطير الكسري

على سبيل المثال، ضع في اعتبارك تقطير خليط من الماء والإيثانول . يغلي الإيثانول عند 78.4 درجة مئوية (173.1 درجة فهرنهايت) بينما يغلي الماء عند 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت). لذا، من خلال تسخين الخليط، سيتركز المكون الأكثر تطايرًا (الإيثانول) بدرجة أكبر في البخار الخارج من السائل. تشكل بعض المخاليط أزيوتروبات ، حيث يغلي الخليط عند درجة حرارة أقل من أي من المكونين. في هذا المثال، يغلي خليط من 96% إيثانول و 4% ماء عند 78.2 درجة مئوية (172.8 درجة فهرنهايت)؛ الخليط أكثر تطايرًا من الإيثانول النقي. لهذا السبب، لا يمكن تنقية الإيثانول تمامًا عن طريق التقطير الكسري المباشر لمخاليط الإيثانول والماء.

يتم تجميع الجهاز كما هو موضح في الرسم التخطيطي. (يمثل الرسم التخطيطي جهاز دفعات على عكس جهاز مستمر.) يتم وضع الخليط في القارورة ذات القاع المستدير مع عدد قليل من الحبيبات المضادة للصدمات (أو شريط تحريك مغناطيسي مطلي بالتفلون إذا كنت تستخدم التحريك المغناطيسي )، ويتم تركيب عمود التجزئة في الأعلى. يتم إعداد عمود التقطير الكسري مع مصدر الحرارة في الجزء السفلي من وعاء التقطير. مع زيادة المسافة من وعاء التقطير، يتشكل تدرج في درجة الحرارة في العمود؛ يكون أبرد في الأعلى وأكثر سخونة في الأسفل. مع صعود البخار المختلط إلى تدرج درجة الحرارة، يتكثف بعض البخار ويتبخر على طول تدرج درجة الحرارة . في كل مرة يتكثف فيها البخار ويتبخر، تزداد تركيبة المكون الأكثر تطايرًا في البخار. يؤدي هذا إلى تقطير البخار على طول العمود، وفي النهاية، يتكون البخار فقط من المكون الأكثر تطايرًا (أو الأزيوتروب). يتكاثف البخار على المنصات الزجاجية، المعروفة باسم الصواني ، داخل العمود، ويعود إلى السائل أدناه، ويتدفق المقطر مرة أخرى. يمكن تحسين الكفاءة من حيث كمية التسخين والوقت المطلوب للحصول على التجزئة عن طريق عزل الجزء الخارجي من العمود بعازل مثل الصوف أو رقائق الألومنيوم أو يفضل سترة مفرغة من الهواء. تكون الصينية الأكثر سخونة في الأسفل والأبرد في الأعلى. في ظروف الحالة المستقرة، يكون البخار والسائل على كل صينية في حالة توازن . يخرج المكون الأكثر تطايرًا في الخليط كغاز في الجزء العلوي من العمود. ثم يمر البخار الموجود في الجزء العلوي من العمود إلى المكثف، الذي يبرده حتى يتحول إلى سائل. يصبح الفصل أكثر نقاءً بإضافة المزيد من الصواني (بحدود عملية للحرارة والتدفق وما إلى ذلك). في البداية، سيكون المكثف قريبًا من التركيب الأزيوتروبي، ولكن عندما يتم سحب الكثير من الإيثانول، يصبح المكثف غنيًا تدريجيًا بالماء. [ بحاجة لمصدر ] تستمر العملية حتى يغلي كل الإيثانول من الخليط. يمكن التعرف على هذه النقطة من خلال الارتفاع الحاد في درجة الحرارة الموضح على مقياس الحرارة .

يعكس التفسير أعلاه الطريقة النظرية التي تعمل بها التجزئة. ستكون أعمدة التجزئة المعملية العادية عبارة عن أنابيب زجاجية بسيطة (غالبًا ما تكون مغلفة بالفراغ، وأحيانًا مطلية بالفضة من الداخل ) مملوءة بحشوة، غالبًا ما تكون حلزونات زجاجية صغيرة يبلغ قطرها من 4 إلى 7 ملم (0.16 إلى 0.28 بوصة). يمكن معايرة مثل هذا العمود عن طريق تقطير نظام خليط معروف لقياس العمود من حيث عدد الصواني النظرية. لتحسين التجزئة، يتم إعداد الجهاز لإعادة المكثفات إلى العمود باستخدام نوع من مقسم الارتداد (سلك الارتداد، غاغو، دلو متأرجح مغناطيسي، إلخ) - ستستخدم التجزئة الدقيقة النموذجية نسبة ارتداد تبلغ حوالي 4: 1 (4 أجزاء من المكثفات المعادة إلى جزء واحد من المكثفات).

في التقطير المعملي، توجد عدة أنواع من المكثفات بشكل شائع. مكثف ليبيج هو ببساطة أنبوب مستقيم داخل غلاف مائي وهو أبسط أشكال المكثفات (وأقلها تكلفة نسبيًا). مكثف جراهام هو أنبوب حلزوني داخل غلاف مائي، ومكثف ألين به سلسلة من التضييقات الكبيرة والصغيرة على الأنبوب الداخلي، كل منها يزيد من مساحة السطح التي قد تتكثف عليها مكونات البخار.

قد تستخدم الإعدادات البديلة قارورة استقبال تقطير متعددة المنافذ (يشار إليها باسم "البقرة" أو "الخنزير") لتوصيل ثلاث أو أربع قوارير استقبال بالمكثف. من خلال تدوير البقرة أو الخنزير، يمكن توجيه المقطرات إلى أي مستقبل مختار. نظرًا لأنه لا يتعين إزالة المستقبل واستبداله أثناء عملية التقطير، فإن هذا النوع من الأجهزة مفيد عند التقطير في جو خامل للمواد الكيميائية الحساسة للهواء أو عند ضغط منخفض. مثلث بيركن هو جهاز بديل يستخدم غالبًا في هذه المواقف لأنه يسمح بعزل المستقبل عن بقية النظام، ولكنه يتطلب إزالة وإعادة توصيل مستقبل واحد لكل جزء.

تعمل أنظمة التقطير الفراغي عند ضغط منخفض، مما يؤدي إلى خفض نقاط غليان المواد. ومع ذلك، تصبح الحبيبات المضادة للصدمات غير فعالة عند الضغوط المنخفضة.

التقطير الصناعي

أعمدة التقطير الكسري الصناعية النموذجية

التقطير الكسري هو الشكل الأكثر شيوعًا لتكنولوجيا الفصل المستخدمة في مصافي البترول ومصانع البتروكيماويات والكيميائيات ومعالجة الغاز الطبيعي ومصانع فصل الهواء المبرد . [3] [4] في معظم الحالات، يتم تشغيل التقطير في حالة ثابتة مستمرة . تتم دائمًا إضافة تغذية جديدة إلى عمود التقطير ويتم دائمًا إزالة المنتجات. ما لم يتم إزعاج العملية بسبب التغيرات في التغذية أو الحرارة أو درجة الحرارة المحيطة أو التكثيف، فإن كمية التغذية المضافة وكمية المنتج الذي تتم إزالته تكون متساوية عادةً. يُعرف هذا باسم التقطير الكسري المستمر في حالة ثابتة.

تُجرى عملية التقطير الصناعي عادةً في أعمدة أسطوانية كبيرة ورأسية تُعرف باسم "أبراج التقطير أو التجزئة" أو "أعمدة التقطير" بأقطار تتراوح من حوالي 0.65 إلى 6 أمتار (2 إلى 20 قدمًا) وارتفاعات تتراوح من حوالي 6 إلى 60 مترًا (20 إلى 197 قدمًا) أو أكثر. تحتوي أبراج التقطير على منافذ سائلة على فترات تصل إلى العمود مما يسمح بسحب كسور أو منتجات مختلفة لها نقاط غليان أو نطاقات غليان مختلفة. من خلال زيادة درجة حرارة المنتج داخل الأعمدة، يتم فصل المنتجات المختلفة. تخرج المنتجات "الأخف" (تلك ذات أدنى نقطة غليان) من أعلى الأعمدة وتخرج المنتجات "الأثقل" (تلك ذات أعلى نقطة غليان) من أسفل العمود.

على سبيل المثال، يتم استخدام التقطير الكسري في مصافي النفط لفصل النفط الخام إلى مواد مفيدة (أو كسور) تحتوي على هيدروكربونات مختلفة ذات نقاط غليان مختلفة. كسور النفط الخام ذات نقاط الغليان الأعلى:

رسم تخطيطي لبرج تقطير صناعي نموذجي

تستخدم الأبراج الصناعية واسعة النطاق الارتداد لتحقيق فصل أكثر اكتمالاً للمنتجات. [5] يشير الارتداد إلى جزء من منتج السائل المكثف العلوي من برج التقطير أو التجزئة الذي يتم إرجاعه إلى الجزء العلوي من البرج كما هو موضح في الرسم التخطيطي لبرج تقطير صناعي نموذجي واسع النطاق . داخل البرج، يوفر السائل الارتداد المتدفق إلى الأسفل التبريد اللازم لتكثيف الأبخرة المتدفقة إلى الأعلى، وبالتالي زيادة فعالية برج التقطير. كلما زاد الارتداد المقدم لعدد معين من اللوحات النظرية ، كان فصل البرج للمواد ذات درجة الغليان المنخفضة عن المواد ذات درجة الغليان الأعلى أفضل. بدلاً من ذلك، كلما زاد الارتداد المقدم لفصل مرغوب معين، قل عدد اللوحات النظرية المطلوبة.

يتم فصل النفط الخام إلى أجزاء عن طريق التقطير التجزيئي. الأجزاء الموجودة في أعلى عمود التقطير لها نقاط غليان أقل من الأجزاء الموجودة في الأسفل. تتم معالجة جميع الأجزاء في وحدات تكرير أخرى.

تُستخدم التقطير الكسري أيضًا في فصل الهواء، لإنتاج الأكسجين السائل والنيتروجين السائل والأرجون عالي التركيز . كما يتيح تقطير الكلوروسيلان إنتاج السيليكون عالي النقاء لاستخدامه كأشباه موصلات .

في الاستخدامات الصناعية، تُستخدم أحيانًا مادة تعبئة في العمود بدلًا من الصواني، خاصةً عندما تكون هناك حاجة إلى انخفاض الضغط عبر العمود، كما هو الحال عند التشغيل تحت الفراغ. يمكن أن تكون مادة التعبئة هذه إما تعبئة عشوائية (عرض 1-3 بوصات (25-76 مم)) مثل حلقات راشيج أو صفائح معدنية منظمة . الشركات المصنعة النموذجية هي كوخ وسولزر وشركات أخرى. تميل السوائل إلى تبليل سطح العبوة وتمر الأبخرة عبر هذا السطح المبلل، حيث يحدث انتقال الكتلة . على عكس التقطير التقليدي بالصواني حيث تمثل كل صينية نقطة منفصلة لتوازن السائل البخاري، يكون منحنى توازن السائل البخاري في العمود المعبأ مستمرًا. ومع ذلك، عند نمذجة الأعمدة المعبأة، من المفيد حساب العديد من "اللوحات النظرية" للإشارة إلى كفاءة فصل العمود المعبأ فيما يتعلق بالصواني الأكثر تقليدية. تتميز العبوات ذات الأشكال المختلفة بمساحات سطح ومسامية مختلفة . يؤثر كلا العاملين على أداء التعبئة.

تصميم أعمدة التقطير الصناعية

مخطط هندسي كيميائي لصواني الأغطية الفقاعية النموذجية في برج التقطير

يعتمد تصميم وتشغيل عمود التقطير على التغذية والمنتجات المطلوبة. في حالة التغذية البسيطة المكونة من مكونين ثنائيين، يمكن استخدام طرق تحليلية مثل طريقة McCabe-Thiele [4] [6] [7] أو معادلة Fenske [4] . بالنسبة للتغذية متعددة المكونات، يتم استخدام نماذج المحاكاة لكل من التصميم والتشغيل.

علاوة على ذلك، فإن كفاءة أجهزة اتصال البخار بالسائل (المشار إليها بالألواح أو الصواني ) المستخدمة في أعمدة التقطير تكون أقل عادةً من كفاءة مرحلة التوازن النظرية ذات الكفاءة 100% . وبالتالي، يحتاج عمود التقطير إلى عدد من الألواح أكبر من عدد مراحل التوازن النظرية بين البخار والسائل.

يشير مصطلح الارتداد إلى الجزء من المنتج العلوي المكثف الذي يعود إلى البرج. يوفر الارتداد المتدفق إلى الأسفل التبريد المطلوب لتكثيف الأبخرة المتدفقة إلى الأعلى. ترتبط نسبة الارتداد، وهي نسبة الارتداد (الداخلي) إلى المنتج العلوي، على العكس من ذلك بعدد المراحل النظرية المطلوبة للفصل الفعال لمنتجات التقطير. تم تصميم أبراج أو أعمدة التقطير الكسري لتحقيق الفصل المطلوب بكفاءة. يتم تصميم أعمدة التجزئة عادةً في خطوتين؛ تصميم العملية، يليه تصميم ميكانيكي. الغرض من تصميم العملية هو حساب عدد المراحل النظرية المطلوبة وتدفقات التيار بما في ذلك نسبة الارتداد، والارتداد الحراري، ومهام الحرارة الأخرى. الغرض من التصميم الميكانيكي، من ناحية أخرى، هو اختيار الأجزاء الداخلية للبرج وقطر العمود والارتفاع. في معظم الحالات، لا يكون التصميم الميكانيكي لأبراج التجزئة واضحًا ومباشرًا. لاختيار مكونات البرج الداخلية بكفاءة وحساب ارتفاع العمود وقطره بدقة، يجب أخذ العديد من العوامل في الاعتبار. تتضمن بعض العوامل المشاركة في حسابات التصميم حجم وخصائص حمل التغذية ونوع عمود التقطير المستخدم.

النوعان الرئيسيان من أعمدة التقطير المستخدمة هما أعمدة الصينية وأعمدة التعبئة. تُستخدم أعمدة التعبئة عادةً للأبراج والأحمال الأصغر حجمًا التي تسبب التآكل أو الحساسية للحرارة أو للخدمة الفراغية حيث يكون انخفاض الضغط مهمًا. من ناحية أخرى، تُستخدم أعمدة الصينية للأعمدة الأكبر حجمًا ذات الأحمال السائلة العالية. ظهرت لأول مرة على الساحة في عشرينيات القرن التاسع عشر. في معظم عمليات تكرير النفط، تُستخدم أعمدة الصينية بشكل أساسي لفصل كسور البترول في مراحل مختلفة من تكرير النفط.

في صناعة تكرير النفط، لا يزال تصميم وتشغيل أبراج التجزئة يتم إلى حد كبير على أساس تجريبي. تتطلب الحسابات المشاركة في تصميم أعمدة تجزئة البترول في الممارسة المعتادة استخدام مخططات رقمية وجداول ومعادلات تجريبية معقدة. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، تم إنجاز قدر كبير من العمل لتطوير إجراءات تصميم فعالة وموثوقة بمساعدة الكمبيوتر للتقطير الكسري. [8]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ كراوس، بول (1942-1943). جابر بن حيان: مساهمة في تاريخ الأفكار العلمية في الإسلام. I. Le corpus des écrits jâbiriens. ثانيا. جابر والعلم اليوناني . القاهرة: المعهد الفرنسي للآثار الشرقية. رقم ISBN 9783487091150. OCLC  468740510.المجلد الثاني، ص 5. حول نسبة الترجمة اللاتينية إلى جيرارد الكريموني، انظر بورنيت، تشارلز (2001). "اتساق برنامج الترجمة العربية اللاتينية في توليدو في القرن الثاني عشر". العلوم في السياق . 14 (1-2): 249-288. doi :10.1017/S0269889701000096. S2CID  143006568.ص 280؛ مورو، سيباستيان (2020). "من الكيمياء إلى الكيمياء. انتقال الكيمياء من العالم العربي الإسلامي إلى الغرب اللاتيني في العصور الوسطى". ميكرولوجوس . 28 : 87-141. hdl : 2078.1/211340.ص 106، 111.
  2. ^ نيومان، ويليام ر. (2000). "الكيمياء، التحليل، والتجربة". في هولمز، فريدريك ل .؛ ليفير، تريفور هـ. (المحرران). الأدوات والتجريب في تاريخ الكيمياء . كامبريدج: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ص 35-54. رقم ISBN 9780262082822.ص44.
  3. ^ Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (الطبعة الأولى). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
  4. ^ abc Perry, Robert H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (الطبعة السادسة). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
  5. ^ "طبلة الارتجاع". Alutal . تم الاسترجاع في 2020-09-18 .
  6. ^ بيشوك، ميلتون (مايو 1951). "الحل الجبري لمخطط مكابي-ثيلي". تقدم الهندسة الكيميائية .
  7. ^ Seader, JD; Henley, Ernest J. (1998). Separation Process Principles . New York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.
  8. ^ إبراهيم، حسن الحاج (2014). "الفصل الخامس". في بينيت، كيلي (محرر). ماتلاب: تطبيقات للمهندس العملي . مجلة سييو. ص 139-171. رقم ISBN 978-953-51-1719-3.
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=التقطير_الكسرى&oldid=1247989312"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate