التقطير التجزيئي

التقطير التجزيئي هو فصل خليط إلى مكوناته، أو أجزائه . تُفصل المركبات الكيميائية بتسخينها إلى درجة حرارة تتبخر عندها أجزاء منها . ويُستخدم التقطير في هذه العملية . عادةً ما يكون الفرق في درجات غليان المكونات أقل من 25  درجة مئوية (45  درجة فهرنهايت) تحت ضغط جوي واحد . أما إذا كان الفرق في درجات الغليان أكبر من 25  درجة مئوية، فيُستخدم التقطير البسيط .

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

لعب التقطير التجزيئي للمواد العضوية دورًا هامًا في مؤلفات القرن التاسع الميلادي المنسوبة إلى الكيميائي الإسلامي جابر بن حيان ، كما في كتاب السبعين ، الذي ترجمه إلى اللاتينية جيرارد الكريموني (حوالي 1114-1187) تحت عنوان Liber de septuaginta . ^{[ 1 ]} وشكّلت تجارب جابر في التقطير التجزيئي للمواد الحيوانية والنباتية، وإلى حدٍّ أقلّ للمواد المعدنية، الموضوع الرئيسي لكتاب De anima in arte alkimiae ، وهو عمل عربي الأصل نُسب خطأً إلى ابن سينا ، وتُرجم إلى اللاتينية، ليصبح فيما بعد أهمّ مصدر كيميائي لروجر بيكون ( حوالي 1220-1292 ). ^{[ 2 ]}

يستخدم التقطير التجزيئي في المختبر أدوات وأجهزة المختبر الشائعة ، والتي تشمل عادةً مصدر حرارة مثل غطاء التسخين أو الصفيحة الساخنة وحمام الرمل (نادراً ما يكون لهب مكشوف كما هو موضح في الرسم التوضيحي، لأن الغالبية العظمى من الكواشف العضوية قابلة للاشتعال بدرجة كبيرة)، وقارورة ذات قاع مستدير ومكثف ، بالإضافة إلى عمود التجزئة ذي الغرض الواحد .

يتم تجميع الجهاز كما هو موضح في الرسم التخطيطي. (يمثل الرسم التخطيطي جهازًا دفعيًا وليس جهازًا مستمرًا). يُوضع المزيج في القارورة ذات القاع المستدير مع بعض حبيبات منع الفوران (أو قضيب تقليب مغناطيسي مطلي بالتفلون في حال استخدام التقليب المغناطيسي )، ثم يُركّب عمود التقطير التجزيئي في الجزء العلوي. يُجهز عمود التقطير التجزيئي بحيث يكون مصدر الحرارة في أسفل وعاء التقطير.

مع ازدياد المسافة من وعاء التقطير، يتشكل تدرج حراري في العمود؛ حيث يكون أبرد في الأعلى وأسخن في الأسفل. ومع صعود البخار المختلط على طول هذا التدرج، يتكثف جزء منه ويتبخر . في كل مرة يتكثف فيها البخار ويتبخر، تزداد نسبة المكون الأكثر تطايرًا فيه، بينما يبقى المكون الأقل تطايرًا في الحالة السائلة . عند نقطة معينة، يبدأ المكون الأكثر تطايرًا بالتكثف عبر المكثف، ويخرج بنقاوة أعلى بكثير من نقاوته الأولية.

يمكن زيادة الكفاءة بشكل كبير باستخدام تقنيات العزل. في ظروف الحالة المستقرة، يكون البخار والسائل في كل منطقة متزايدة على طول العمود في حالة توازن . وهذا يشبه من حيث المفهوم سلسلة من عمليات التقطير البسيطة، والتي تسمى الصفائح النظرية .

يخرج المكون الأكثر تطايرًا في الخليط على شكل غاز من أعلى العمود. ثم ينتقل البخار المتصاعد من أعلى العمود إلى المكثف، الذي يبرده حتى يتحول إلى سائل. ينتج عن عملية الفصل منتج ذو نقاء أعلى مع زيادة عدد الصفائح النظرية (ضمن حدود عملية للحرارة والتدفق، وما إلى ذلك). في البداية، يتكون المكثف في معظمه من المكون ذي درجة الغليان المنخفضة، ولكن عندما يُسحب جزء كبير من هذا المكون، يصبح المكثف أغنى تدريجيًا بالمكون ذي درجة الغليان الأعلى. تستمر هذه العملية حتى يتبخر كل المكون ذي درجة الغليان المنخفضة من الخليط. ويمكن ملاحظة هذه النقطة من خلال الارتفاع الحاد في درجة الحرارة على مقياس الحرارة .

يشرح ما سبق الطريقة النظرية التي تعمل بها عملية التجزئة. تتكون أعمدة التجزئة المختبرية العادية من أنابيب زجاجية بسيطة (غالبًا ما تكون مغلفة بتفريغ الهواء، وأحيانًا مطلية بالفضة من الداخل ) مملوءة بحشوة، غالبًا ما تكون حلزونات زجاجية صغيرة بقطر يتراوح بين 4 و7 مليمترات (0.16 إلى 0.28 بوصة) . يمكن معايرة هذا العمود بتقطير نظام خليط معروف لتحديد كمية العمود من حيث عدد الصفائح النظرية. ولتحسين عملية التجزئة، يتم إعداد الجهاز لإعادة المكثف إلى العمود باستخدام نوع من مقسمات الارتداد (سلك ارتداد، أو جهاز غاغو، أو دلو مغناطيسي متأرجح، إلخ) - تستخدم عملية التجزئة الدقيقة النموذجية نسبة ارتداد تبلغ حوالي 4:1 (4 أجزاء من المكثف المُعاد إلى جزء واحد من المكثف المُستخرج). 

في التقطير المختبري، تُستخدم أنواع عديدة من المكثفات. مكثف ليبيغ عبارة عن أنبوب مستقيم داخل غلاف مائي ، وهو أبسط أنواع المكثفات وأقلها تكلفة نسبيًا. أما مكثف غراهام فهو أنبوب حلزوني داخل غلاف مائي، بينما يحتوي مكثف ألين على سلسلة من الانقباضات الكبيرة والصغيرة على الأنبوب الداخلي، يزيد كل منها من مساحة السطح التي يمكن أن تتكثف عليها مكونات البخار.

قد تستخدم تجهيزات بديلة قارورة استقبال تقطير متعددة المنافذ (تُعرف باسم "البقرة" أو "الخنزير") لتوصيل ثلاث أو أربع قوارير استقبال بالمكثف. وبتدوير قارورة الاستقبال، يمكن توجيه المُقطَّرات إلى أي قارورة استقبال مُختارة. ولأن قارورة الاستقبال لا تحتاج إلى إزالتها وإعادة تركيبها أثناء عملية التقطير، فإن هذا النوع من الأجهزة مفيد عند التقطير في جو خامل للمواد الكيميائية الحساسة للهواء أو عند ضغط منخفض. يُعد مثلث بيركن جهازًا بديلًا يُستخدم غالبًا في هذه الحالات لأنه يسمح بعزل قارورة الاستقبال عن بقية النظام، ولكنه يتطلب إزالة قارورة استقبال واحدة وإعادة تركيبها لكل جزء.

تعمل أنظمة التقطير الفراغي عند ضغط منخفض، مما يؤدي إلى خفض درجة غليان المواد. ومع ذلك، تصبح حبيبات منع الغليان غير فعالة عند الضغوط المنخفضة.

لا يمكن تنقية بعض المخاليط بشكل كامل عن طريق التقطير التجزيئي. على سبيل المثال، لنأخذ 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) . في هذه الحالة ، يتشكل مزيج أزيوتروبي ، حيث يكون خليط الماء والإيثانول متجانسًا.    96% إيثانول ويغلي الماء بنسبة 4% عند 78.2 درجة مئوية (172.8 درجة فهرنهايت) ؛ وحتى لو لم تكن هذه الدرجة قريبة بما يكفي من درجة غليان الإيثانول بحيث يكاد يكون من المستحيل فصل الخليط تجزيئيًا، فإن الجزء الأول سيظهر دائمًا على شكل مزيج أزيوتروبي بنسبة 96/4. في هذه الحالات، يجب استخدام التقطير الأزيوتروبي أو طريقة أخرى.  

يُعدّ التقطير التجزيئي أكثر تقنيات الفصل شيوعًا في مصافي البترول ، ومصانع البتروكيماويات والكيماويات ، ومعالجة الغاز الطبيعي ، ومحطات فصل الهواء المبرد . ^{[ 3 ] [ 4 ]} في معظم الحالات، يُجرى التقطير في حالة استقرار مستمر . تُضاف المواد الخام باستمرار إلى عمود التقطير، وتُزال المنتجات باستمرار. ما لم تتعرض العملية للاضطراب نتيجة لتغيرات في المواد الخام، أو الحرارة، أو درجة الحرارة المحيطة، أو التكثيف، فإن كمية المواد الخام المضافة وكمية المنتج المُزال تكون متساوية عادةً. يُعرف هذا بالتقطير التجزيئي المستمر في حالة الاستقرار.

تُجرى عملية التقطير الصناعي عادةً في أعمدة أسطوانية رأسية كبيرة تُعرف باسم "أبراج التقطير أو التجزئة" أو "أعمدة التقطير"، بأقطار تتراوح من 0.65 إلى 6 أمتار (من 2 إلى 20 قدمًا) وارتفاعات تتراوح من 6 إلى 60 مترًا (من 20 إلى 197 قدمًا) أو أكثر. تحتوي أبراج التقطير على منافذ سائلة على فترات منتظمة أعلى العمود، مما يسمح بسحب كسور أو منتجات مختلفة ذات درجات غليان أو نطاقات غليان متباينة. يتم فصل هذه المنتجات عن طريق رفع درجة حرارة المنتج داخل الأعمدة. تخرج المنتجات "الأخف" (ذات أدنى درجة غليان) من أعلى الأعمدة، بينما تخرج المنتجات "الأثقل" (ذات أعلى درجة غليان) من أسفل العمود.  

على سبيل المثال، تُستخدم عملية التقطير التجزيئي في مصافي النفط لفصل النفط الخام إلى مواد مفيدة (أو أجزاء) تحتوي على هيدروكربونات مختلفة ذات درجات غليان مختلفة. أجزاء النفط الخام ذات درجات الغليان الأعلى هي:

• يحتوي على المزيد من ذرات الكربون
• لها أوزان جزيئية أعلى
• هي ألكانات ذات سلاسل أقل تفرعًا
• أغمق لونا
• أكثر لزوجة
• يصعب إشعالها وحرقها

Large-scale industrial towers use reflux to achieve a more complete separation of products.^[5] Reflux refers to the portion of the condensed overhead liquid product from a distillation or fractionation tower that is returned to the upper part of the tower as shown in the schematic diagram of a typical, large-scale industrial distillation tower. Inside the tower, the reflux liquid flowing downwards provides the cooling needed to condense the vapors flowing upwards, thereby increasing the effectiveness of the distillation tower. The more reflux is provided for a given number of theoretical plates, the better the tower's separation of lower boiling materials from higher boiling materials. Alternatively, the more reflux provided for a given desired separation, the fewer theoretical plates are required.

Fractional distillation is also used in air separation, producing liquid oxygen, liquid nitrogen, and highly concentrated argon. Distillation of chlorosilanes also enable the production of high-purity silicon for use as a semiconductor.

In industrial uses, sometimes a packing material is used in the column instead of trays, especially when low-pressure drops across the column are required, as when operating under vacuum. This packing material can either be random dumped packing (1–3 in (25–76 mm) wide) such as Raschig rings or structured sheet metal. Typical manufacturers are Koch, Sulzer, and other companies. Liquids tend to wet the surface of the packing and the vapors pass across this wetted surface, where mass transfer takes place. Unlike conventional tray distillation in which every tray represents a separate point of vapor liquid equilibrium the vapor-liquid equilibrium curve in a packed column is continuous. However, when modeling packed columns it is useful to compute several "theoretical plates" to denote the separation efficiency of the packed column concerning more traditional trays. Differently shaped packings have different surface areas and porosity. Both of these factors affect packing performance.

Design of industrial distillation columns

يعتمد تصميم وتشغيل عمود التقطير على المادة الأولية والمنتجات المطلوبة. في حالة المادة الأولية البسيطة المكونة من عنصرين، يمكن استخدام طرق تحليلية مثل طريقة مكابي-ثيلي ^{[ 4 ] [ 6 ] [ 7 ]} أو معادلة فينسكي ^{[ 4 ]} . أما في حالة المادة الأولية متعددة المكونات، فتُستخدم نماذج المحاكاة في كلٍ من التصميم والتشغيل.

علاوة على ذلك، فإن كفاءة أجهزة التلامس بين البخار والسائل (المشار إليها باسم الألواح أو الصواني ) المستخدمة في أعمدة التقطير عادةً ما تكون أقل من الكفاءة النظرية.مرحلة التوازن بكفاءة 100% . وبالتالي، يحتاج عمود التقطير إلى عدد من الألواح يفوق عدد مراحل التوازن النظرية بين البخار والسائل.

يشير مصطلح "الارتداد" إلى جزء من المنتج العلوي المكثف الذي يعود إلى البرج. يوفر الارتداد المتدفق للأسفل التبريد اللازم لتكثيف الأبخرة المتدفقة للأعلى. ترتبط نسبة الارتداد، وهي نسبة الارتداد (الداخلي) إلى المنتج العلوي، عكسيًا بالعدد النظري للمراحل المطلوبة لفصل منتجات التقطير بكفاءة. تُصمم أبراج أو أعمدة التقطير التجزيئي لتحقيق الفصل المطلوب بكفاءة. عادةً ما يتم تصميم أعمدة التقطير التجزيئي على مرحلتين: تصميم العملية، يليه التصميم الميكانيكي. يهدف تصميم العملية إلى حساب عدد المراحل النظرية المطلوبة وتدفقات التيار، بما في ذلك نسبة الارتداد، وارتداد الحرارة، وأحمال الحرارة الأخرى. أما التصميم الميكانيكي، فيهدف إلى اختيار المكونات الداخلية للبرج، وقطر العمود، وارتفاعه. في معظم الحالات، لا يكون التصميم الميكانيكي لأبراج التقطير التجزيئي بسيطًا. لاختيار المكونات الداخلية للبرج بكفاءة وحساب ارتفاع العمود وقطره بدقة، يجب مراعاة العديد من العوامل. تتضمن بعض العوامل التي تدخل في حسابات التصميم حجم وخصائص حمولة التغذية ونوع عمود التقطير المستخدم.

يُستخدم نوعان رئيسيان من أعمدة التقطير: أعمدة الصواني وأعمدة التعبئة. تُستخدم أعمدة التعبئة عادةً في الأبراج الصغيرة والأحمال التي تكون قابلة للتآكل أو حساسة لدرجة الحرارة، أو في تطبيقات التفريغ حيث يكون انخفاض الضغط عاملاً مهماً. أما أعمدة الصواني، فتُستخدم في الأبراج الأكبر حجماً ذات الأحمال السائلة العالية. وقد ظهرت لأول مرة في عشرينيات القرن التاسع عشر. في معظم عمليات تكرير النفط، تُستخدم أعمدة الصواني بشكل أساسي لفصل مشتقات البترول في مختلف مراحل تكرير النفط.

في صناعة تكرير النفط، لا يزال تصميم وتشغيل أبراج التقطير التجزيئي يعتمد إلى حد كبير على التجربة. تتطلب الحسابات اللازمة لتصميم أعمدة التقطير التجزيئي للبترول، في الممارسة المعتادة، استخدام عدد كبير من المخططات والجداول والمعادلات التجريبية المعقدة. مع ذلك، شهدت السنوات الأخيرة جهودًا كبيرة لتطوير إجراءات تصميم فعالة وموثوقة بمساعدة الحاسوب للتقطير التجزيئي. ^{[ 8 ]}

• التقطير الأيزوتروبي
• التقطير الدفعي
• التقطير الاستخلاصي
• التقطير بالتجميد
• التقطير بالبخار