دانش رسان |
مرکز علم و دانش کشور مقاله نقطه جوش
در حال بارگذاری
توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد
مقاله نقطه جوش دارای ۵۵ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد مقاله نقطه جوش کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله نقطه جوش،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
بخشی از متن مقاله نقطه جوش :
نقطه جوش
مولکولهای مایع دائما حرکت میکنند.تعدادی از این مولکولها هنگامی که در سطح مایع هستند میتوانند به فضای بالای مایع بگریزند.مایعی را در ظرف بسته ای که هوایش تخلیه شده در نظر بگیرید.تعداد مولکولها در فاز گازی مایع افزایش می‌یابد تا سرعت ورود مجدد مولکولها به فاز مایع با سرعت گریزشان برابر شود، سرعت ورود مجدد متناسب با تعداد مولکولها در فاز گازی است.در این حال دیگر تغییر اساسی در دستگاه ملاحظه نمی شود و می‌گویند که سیستم در حال تعادل جنبشی است.مولکولها در فاز گازی به سرعت حرکت میکنند و دائما به
دیواره ظرف بر می‌خورند و منجر به وارد کردن فشار به دیواره آن میشوند میزان این فشار در یک درجه حرارت معین را فشار بخار تعادل جسم مایع در آن درجه می‌نامند.این فشار بخار به درجه حرارت بستگی دارد.این بستگی به آسانی با تمایل گریز مولکولها از مایع قابل توجیه است.با ازدیاد درجه حرارت انرژی جنبشی متوسط مولکولها افزایش می‌یابد و فرار آنها به فاز گازی آسان میشود.سرعت ورود مجدد مولکولها نیز رو به افزایش میرود و به زودی در درجه حرارت بالاتر تعادل برقرار میشود.ولی در این حال تعداد مولکولها در فاز گازی از تعداد آنها در درجه حرارت پایین تر بیشتر است و در نتیجه فشار بخار زیادتر است.
اکنون نمونه مایعی را در نظر بگیرید که در یک درجه حرارت معین در ظرف سر گشاده ای قرار دارد و مولکولهای فاز بخار در بالای مایع میتوانند از محوطه ظرف خارج شوند.بخاری که در بالای این نمونه است از مولکولهای هوا و نمونه تشکیل شده است.طبق قانون فشارهای جزئی دالتون، فشار کل (خارجی) در بالای مایع برابر با فشارهای جزئی نمونه و هوا است:
هواP + نمونهP = کلP
فشار جزئی نمونه برابر با فشار بخار تعادل آن در درجه حرارت معین است.اگر درجه حرارت بالا رود (بدین ترتیب فشار بخار تعادل نمونه زیاد میشود)، تعداد مولکولهای نمونه در فضایی که در بالا و نزدیک مایع است افزایش می‌یابد و در نتیجه مقداری از هوا جابجا میشود.در درجه حرارت بالا فشار جزئی نمونه درصد بیشتری از فشار کل را تشکیل میدهد.با ازدیاد بیشتر درجه حرارت این عمل ادامه می‌یابد تا فشار بخار تعادل با فشار خارجی برابر شود و در این حال تمام هوا کاملا از ظرف خارج میشود.تبخیر بیشتر باعث جابجا شدن مولکولهای گازی
نمونه خواهد شد.با توجه به این حقایق به این نتیجه میرسیم که فشار بخار تعادل یک نمونه یک حد نهایی دارد که به وسیله فشار خارجی معین میشود.در این حد سرعت تبخیر به مقدار زیادی افزایش می‌یابد (که با تشکیل حباب در مایع آشکار میشود) و این مرحله را عموما شروع جوشش می‌دانند.نقطه جوش یک مایع درجه حرارتی است که در آن فشار بخار مایع کاملا برابر با فشار خارجی شود.چون نقطه جوش مشاهده شده مستقیما به فشار خارجی بستگی دارد، از این جهت باید در گزارش نقطه جوش، فشار خارجی هم قید شود (مثلا نقطه جوش ۱۵۲ درجه سانتیگراد در فشار ۷۵۲ میلی متر جیوه).معمولا نقطه جوش استاندارد را در فشار آتمسفر (۷۶۰ mm Hg) تعیین میکنند.
نقاط جوش برای شناسایی مایعات و برخی از جامداتی که در حرارت پایین ذوب میشوند، مفید هستند.جامداتی که در حرارت بالا ذوب میشوند معمولا آنقدر دیر میجوشند که نمیتوان به راحتی درجه جوش آنها را اندازه گ فت.
بخش عملی
اندازه گ ری نقطه جوش به روش میکرو:
انتهای دو لوله مویین تمیز یک میلی متری را به وسیله حرارت شعله بسته و به هم متصل کنید و در حدود سه یا چهار میلی متر پایین تر آنرا صاف ببرید مانند شکل ۱ (۱- محل اتصال ۲- محل برش).
یک لوله شیشه ای ۴ میلی متری مطابق شکل ۲ تهیه کنید و آنرا با یک حلقه لاستیکی به یک گرما سنج متصل کنید حدود ۲ قطره از مایع مورد آزمایش را به کمک پیپت مویین در انتهای لوله ۴ میلی متری قرار دهید و لوله مویین جوش را در آن داخل کنید چنانچه سطح نمونه مایع در زیر محل اتصال لوله مویین باشد آنقدر از نمونه اضافه کنید تا سطح مایع به بالای اتصال برسد. گرماسنج و لوله‌های متصل به آنرا در داخل حمامی که بتوان آنرا گرم کرد قرار دهید و مواظب باشید که حلقه لاستیکی در بالای سطح مایع باشد.درجه حرارت را به سرعت بالا ببرید تا حبابهای تند و مداومی از لوله مویین جوش خارج شود.در این حال حرارت را قطع کنید.با سرد شدن تدریجی حمام سرعت خروج حباب کم میشود.در لحظه ای که خروج حباب کاملا متوقف میشود و مایع شروع به بالا رفتن از داخل لوله مویین میکند درجه حرارت گرما سنج را یادداشت کنید.این درجه، نقطه جوش نمونه مایع است.
شکل۲:۱-دماسنج ۲-بند لاستیکی ۳-بشر ۴-پارافین مایع ۵-لوله مویین ۶-لوله با قطر ۴ میلیمتر ۷- مایع نمونه ۸-شعله
تعیین نقطه ذوب ( melting point )
نقطه ذوب دمایی است که جامد به مایع تبدیل و یا دمایی که در ان فشار بخار مایع و جامد برابرند.زمانیکه یک جامد در اثر حرارت ذوب میگردد با پدیدارشدن مایع بین مایع و جامد تعادل برقرار میگردد و ادامه گرما باعث تبدیل جامد به مایع میگردد.معمولا ماده الی خالص دارای نقطه ذوب معین و بسیار سریع می‌باشد.
وجود مقدار کم ناخالصی نقطه ذوب را تغییر میدهد لذا داشتن نقطه ذوب جسم خالص ونتیجه حاصله از یک ازمایش خلوص جسم را تعیین میکند.( در این مورد استسنائاتی هم وجود دارد )
روش میکرو
یک لوله موئین به طول ۷ – ۵ سانتی متر برداشته یک دهانه ان را با استفاده از شعله مسدود کنید.
نمونه جامد مورد نظر را کاملا پودر کرده و وارد لوله موئین کنید ( لوله موئین ۵ – ۷ سانتی متر پر شود )
لوله موئین را طوری به ترمومتر متصل نمایید که انتهای لوله و ترمومتر هم سطح باشند ( این کار را به کمک سیم یا حلقه نازک و کوچک لاستیکی انجام دهید ولی نباید در حمام قرار گیرد )
ترمومتر اماده شده را به کمک گیره و پایه طوری به حالت اویزان درون حمام قرار دهید که مخزن ترمومتر و ماده جامد درون مایع قرار گیرند.( مایع حمام معمولا از پارافین – گلی کول – گلیسیرین – اسید سولفوریک غلیظ که نقطه جوش بالایی دارند استفاده میشود)
سپس حمام را به ارامی حرارت دهید به طوری که ماکزیمم هر یک دقیقه دو درجه سانتیگراد بالا رود.دمای شروع نقطه ذوب و دمایی که در ان اخرین قسمت جامد دوب میگردد را یاداشت کنید.تفاضل این دو عدد را در اصطلاح دامنه ذوب می‌گویند.
دامنه ذوب ترکیبات خالص معمولا ۲ – ۰۵ درجه سانتیگراد است.
روش ماکرو
دمای ذوب را میتوان به روش ماکرو بدست اورد و ملاحظه نمود که در طول ذوب دما ثابت است.انواع دستگاههای ساده الکتریکی برای تعیین نقطه ذوب ترکیبات الی به روش ماکرو وجود دارد
خش عملی تعیین نقطه ذوب
مقدار کمی از نمونه پودر شده را در روی یک شیشه ساعت کوچک بگذارید، یک طرف لوله مویین را با شعله ببندید و چند بار نوک باز لوله مویین را آهسته به داخل جسم جامد بزنید.با برگرداندن لوله و با زدن سریع انتهای بسته لوله بر روی یک سطح محکم میتوان جسم جامد را به طرف انتهای بسته لوله هدایت کرد.جسم باید در لوله متراکم شود.بهترین راه انجام این کار آن است که در خاتمه لوله مویین را از درون یک قطعه لوله شیشه ای بزرگتر که تقریبا به طول ۶۰ سانتیمتر باشد، بر روی سطح محکمی رها کنید.نمونه باید به اندازه ای باشد که
پس از عمل تراکم لوله مویین را تا عمق ۳-۲ میلی متر پر کند.این مقدار نباید بیشتر باشد.لوله مویین را به وسیله یک بند لاستیکی کوچک به گرماسنج متصل کنید.خود نمونه باید در مجاورت حباب گرماسنج باشد و بند لاستیکی در بالا ترین جا تا از سطح مایع داغ دور باشد.سپس گرماسنج را به کمک چوب پنبه سوراخداری که یک طرف آن بریده شده در داخل گرمکن قرار دهید.منظور از این بریدگی آن است که درجات گرماسنج در آن حدود آشکار شوند و همچنین دستگاه یک سیستم باز باشد.(احتیاط:هرگز نباید یک سیستم بسته را حرارت داد.) با استفاده از حرارت یک چراغ کوچک بونزن به آرامی درجه حرارت مایعی را که باید گرم شود بالا ببرید (حدود ۲ درجه در دقیقه) درجه ای را که ابتدا عمل ذوب مشاهده میشود و همچنین درجه ای را که در آن آخرین قسمت جامد ذوب میشود را یادداشت کنید.
نگاه کلی
روشهای مختلفی برای جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول وجود دارد که یکی از این روشها فرایند تقطیر می‌باشد در روش تقطیر جداکردن اجزاء یک مخلوط، از روی اختلاف نقطه جوش آنها انجام می‌گیرد.تقطیر در عمل به دو روش زیر انجام می‌گیرد.روش اول شامل تولید بخار از طریق جوشاندن یک مخلوط مایع، سپس میعان بخار، بدون اینکه هیچ مایعی مجددا به محفظه تقطیر بازگردد.در نتیجه هیچ مایع برگشتی وجود ندارد.در روش دوم قسمتی از بخار مایع شده به دستگاه تقطیر باز میگردد و به صورتی که این مایع برگشتی در مجاورت بخاری که به طرف مبرد میرود قرار می‌گیرد.هر کدام از این روشها میتوانند پیوسته یا ناپیوسته باشند.
ستون تقطیر در پالایشگاه
انواع تقطیر
قطیر ساده غیر مداوم:در این روش تقطیر، مخلوط حرارت داده میشود تا بحال جوش درآید بخارهایی که تشکیل میشود غنی از جزء سبک مخلوط می‌باشد پس از عبور از کندانسورها (میعان کننده ها) تبدیل به مایع شده، از سیستم تقطیر خارج میگردد.به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقی مانده زیاد میشود، نقطه جوش آن بتدریج بالا میرود.به این ترتیب، هر لحظه از عمل تقطیر، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر میکند.
تقطیر ساده مداوم:در این روش، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان، در گرم کننده گرم میشود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید، و به محض ورود در ستون تقطیر، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا میشود و از بالای ستون تقطیر خارج میگردد و بعد از عبور از کندانسورها، به صورت مایع در می‌آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج میشود.قابل ذکر است که همیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.
تقطیر تبخیر آنی (ناگهانی):وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام را حرارت می‌دهیم، اجزای تشکیل دهنده آن بترتیب که سبکتر هستند، زودتر بخار میشود.برعکس وقتی بخواهیم این بخارها را سرد و دوباره تبدیل به مایع کنیم، هر کدام که سبکتر باشد دیرتر مایع میگردد.با توجه به این خاصیت، می‌توانیم نفت خام را به روش دیگری که به آن “تقطیر آنی” گویند، تقطیر نماییم.در این روش، نفت خام را چنان حرارت می‌دهیم که ناگهان همه اجزای آن تبدیل به بخار گردد و سپس آنها را سرد می‌کنیم تا مایع شود.در اینجا، بخارها به ترتیب سنگینی، مایع میشوند یعنی هرچه سنگین‌تر باشند، زودتر مایع می‌گردند و بدین گونه، اجزای نفت خام را با ترتیب مایع شدن از هم جدا می‌کنیم.
تقطیر در خلا:با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارد، و از طرف دیگر، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر می‌باشد و زودتر تجزیه می‌گردند، لذا برای جداکردن آنها از خلا نسبی استفاده میشود.در این صورت مواد دمای پایین‌تر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می‌آیند.در نتیجه، تقطیر در خلا، دو فایده دارد:اول این که به انرژی و دمای کمتر نیاز است، دوم اینکه مولکولها تجزیه نمیشوند.امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر، از خلا استفاده میشود.یعنی این که:هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلا انجام میدهند.
تقطیر به کمک بخار آب:یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد میکنند در این صورت بی آنکه خلاء‌ای ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر میشوند.این مورد معمولا در زمانی انجام میشود که در نقطه جوش آب، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.
تقطیر آزئوتروپی:از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک باشند استفاده میشود، جداسازی مخلوط اولیه، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی، آزئوتوپ تشکیل میدهد امکان‌پذیر است.آزئوتروپ محصول تقطیر یا ته مانده را از ستون تشکیل میدهد و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا میکند.اغلب، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین تشکیل میدهد که به آن شکننده آزئوتروپ می‌گویند.آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است، اما نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.
مثالی از تقطیر آزئوتروپی استفاده از بنزن برای جداسازی کامل اتانول از آب است، که آزئوتروپی با نقطه جوش پایین با ۶/۹۵% وزنی الکل را تشکیل میدهد.مخلوط آب- الکل با ۹۵% وزنی الکل به ستون تقطیر آزئوتروپی افزوده میشود و جریان جریان غنی از بنزن از قسمت فوقانی وارد میشود.محصول ته مانده الکل تقریبا خالص است وبخار بالایی یک آزئوتروپی سه‌گانه است.این بخار مایع شده، به دو فاز تقسیم میشود.لایه آلی برگشت داده شده، لایه آلی به ستون بازیافت بنزن فرستاده میشود.همه بنزن و مقدار الکل در بخار بالایی گرفته شده، به ستون اول روانه میشوند.جریان انتهایی در ستون سوم تقطیر میشود تا آب خالص و مقداری آزئوتروپ دوگانه از آن بدست آید.
تقطیر استخراجی:جداسازی اجزای با نقطه جوش تقریبا یکسان از طریق تقطیر ساده مشکل است حتی اگر مخلوط ایده آل باشد و به دلیل تشکیل آزئوتروپ، جداسازی کامل آنها غیر ممکن است برای چنین سیستم هایی با افزایش یک جزء سوم به مخلوط که باعث تغییر فراریت نسبی ترکیبات اولیه میشود، جداسازی ممکن میشود.جزء افزوده شده باید مایعی با نقطه جوش بالا باشد، قابلیت حل شدن در هر دو جزء کلیدی را داشته باشد و از لحاظ شیمیایی به یکی از آنها شبیه باشد.جزء کلیدی که به حلال بیشتر شبیه است ضریب فعالیت پایین تری از جزء دیگر محلول دارد، در نتیجه جداسازی بهبود می‌یابد این فرآیند، تقطیر استخراجی نام دارد.
مثالی از تقطیر استخراجی، استفاده از فور فورال در جداسازی بوتادی‌ان و بوتن است، فورفورال که حلالی به شدت قطبی است، فعالیت بوتادی ان را بیش تر از بوتن و بوتان کم میکند و غلظت بوتادی ان وفورفورال وارد قسمت فوقانی ستون تقطیر استخراجی شود، با انجام تقطیر بوتادی ان از فورفورال جدا میشود.
تقطیر جزء به جزء:اجزای سازنده محلول شامل دو یاچند فرار را که از قانون رائول پیروی میکنند، میتوان با فرایند تقطیر جزء به جزء از هم جدا کرد.طبق قانون رائول، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای سازنده آن است و سهم هر جزء برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جزء به جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است.در تقطیر محلولی از B و A، غلظت A در بخاری که خارج شده و مایع میشود، بیش از غلظت آن در مایع باقی مانده است.با ادامه عمل تقطیر، ترکیب درصد اجزا در بخار و مایع دائما تغییر میکند و این در هر نقطه عمومیت دارد.با جمع آوری مایعی که از سردشدن بخار حاصل میشود و از تقطیر مجدد آن و با تکراری پی در پی این عمل، سرانجام میتوان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی واقعا خالص بدست آورد.
فرایند تقطیر جزء به جزء
تقطیر جزء به جزء در ستون تقطیر سینی دار و یا پر شده انجام می‌گیرد، به این ترتیب که بخارات حاصل شده، از پایین به طرف بالای ستون حرکت میکند و با فاز مایعی که از میعان بخارات قبلی که در طول ستون تولید شده اند و به طرف پایین جریان دارند، در تماس می‌باشد و به این صورت تماس کامل بین فاز گاز و مایع برقرار میشود.درجه حرارت هر سینی پایینی خود کمتر است، و در ستون تقطیر، دما از پایین به بالا، کم میگردد.بخارهایی که نقطه میعان آنها، مساوی درجه حرارت سینی باشد، و روی آن سینی به مایع تبدیل میشود و روی آن جمع میگردد و به روی سینی پایینی می‌ریزد.در نتیجه این عمل فاز بخار، که غنی از جزء سبک است، از بالای ستون خارج میشود و فاز مایع که غنی از جزء سنگین از پایین جمع آوری میگردد.بخارهای خارج شده از قسمت بالای ستون در کندانسورها به مایع تبدیل شده، به عنوان محصول جمع آوری میگردد معمولا مقداری از این مایع جمع آوری شده جهت کنترل دمای ستون تقطیر به عنوان مایع برگشتی به داخل آن برمی‌گردد.قسمت بالای ستون تقطیر تا سینی که خوراک روی آن می‌ریزد به نام منطقه” تفکیک ستون” گویند و قسمت پایین ستون مربوط به خوراک را منطقه “عریان کننده” می‌نامند.
تقطیر جزء به جزء مخلوطهای دو جزئی و چند جزئی
هدف از تقطیر، جداسازی خوراک به بخارهایی از محصولات تقریبا خالص است در تقطیر سیستم های دو جزئی، درجه خلوص با کسر مولی جزء سبک در محصول تقطیر XO و در محصول ته مانده XB بیان میشود.در سیستم های دو جزئی از یک مرحله به مرحله دیگر، به جزء در نقطه آزئوتروپ، دما و منحنی تعادل تغییر میکنند و یک جزء در تمام ستون فرارتر است.اما در سیستم های چند جزئی یک جزء ممکن است در یک قسمت ستون فرارتر و در قسمت دیگر فراریت کمتری داشته باشد، که ماهیت پیچیده غلظت اجزا را نشان میدهد.تعادل فازی سیستم های چند جزئی نسبت به دو جزئی بسیار پیچیده است، به دلیل اینکه تعداد اجزاء زیاد است وتعادل به دما بستگی دارد و دما از یک مرحله به مرحله دیگر تغییر میکند.
قطیر ساده:اجزای سازنده محلولی از یک ماده حل شده غیر فعال را میتوان با تقطیر ساده از هم جدا کرد.برای این کار محلول را می‌جوشانیم تا حلال فرار، تبخیر و از ماده حل شده جدا شود.با سرد کردن بخار، (میعان)، حلال مایع جمع‌آوری میشود و ماده حل شده به صورت باقی مانده تقطیر باقی می‌ماند.
تقطیر ساده:
هنگامی که ناخالصی غیر فراری (مانند شکر یا نمک) به مایع خالصی اضافه میشود فشار بخار مایع تنزل می‌یابد و به این دلیل که مولکولهایی که در سطح مایع هستند فقط مولکولهای جسم فرار نیستند قابلیت تبخیر مایع کم میشود.در هنگام تقطیر یک مایع خالص چنانچه مایع زیاده از حد گرم نشود درجه حرارتی که در گرماسنج دیده میشود، یعنی درجه حرارت دهانه خروجی، با درجه حرارت مایع جوشان در ظرف تقطیر، یعنی درجه حرارت ظرف، یکسان است.
انواع تقطیر
• تقطیر ساده غیر مداوم:در این روش تقطیر، مخلوط حرارت داده میشود تا بحال جوش درآید بخارهایی که تشکیل میشود غنی از جزء سبک مخلوط می‌باشد پس از عبور از کندانسورها (میعان کننده ها) تبدیل به مایع شده، از سیستم تقطیر خارج میگردد.به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقی مانده زیاد میشود، نقطه جوش آن بتدریج بالا میرود.به این ترتیب، هر لحظه از عمل تقطیر، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر میکند.
• تقطیر ساده مداوم:در این روش، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان، در گرم کننده گرم میشود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید، و به محض ورود در ستون تقطیر، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا میشود و از بالای ستون تقطیر خارج میگردد و بعد از عبور از کندانسورها، به صورت مایع در می‌آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج میشود.قابل ذکر است که همیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.
• تقطیر تبخیر آنی (ناگهانی):وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام را حرارت می‌دهیم، اجزای تشکیل دهنده آن بترتیب که سبکتر هستند، زودتر بخار میشود.برعکس وقتی بخواهیم این بخارها را سرد و دوباره تبدیل به مایع کنیم، هر کدام که سبکتر باشد دیرتر مایع میگردد.با توجه به این خاصیت، می‌توانیم نفت خام را به روش دیگری که به آن “تقطیر آنی” گویند، تقطیر نماییم.در این روش، نفت خام را چنان حرارت می‌دهیم که ناگهان همه اجزای آن تبدیل به بخار گردد و سپس آنها را سرد می‌کنیم تا مایع شود.در اینجا، بخارها به ترتیب سنگینی، مایع میشوند یعنی هرچه سنگین‌تر باشند، زودتر مایع می‌گردند و بدین گونه، اجزای نفت خام را با ترتیب مایع شدن از هم جدا می‌کنیم.
• تقطیر در خلا:با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارد، و از طرف دیگر، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر می‌باشد و زودتر تجزیه می‌گردند، لذا برای جداکردن آنها از خلا نسبی استفاده میشود.در این صورت مواد دمای پایین‌تر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می‌آیند.در نتیجه، تقطیر در خلا، دو فایده دارد:اول این که به انرژی و دمای کمتر نیاز است، دوم اینکه مولکولها تجزیه نمیشوند.امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر، از خلا استفاده میشود.یعنی این که:هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلا انجام میدهند.
• تقطیر به کمک بخار آب:یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد میکنند در این صورت بی آنکه خلاء‌ای ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر میشوند.این مورد معمولا در زمانی انجام میشود که در نقطه جوش آب، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.
• تقطیر آزئوتروپی:از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک باشند استفاده میشود، جداسازی مخلوط اولیه، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی، آزئوتوپ تشکیل میدهد امکان‌پذیر است.آزئوتروپ محصول تقطیر یا ته مانده را از ستون تشکیل میدهد و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا میکند.اغلب، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین تشکیل میدهد که به آن شکننده آزئوتروپ می‌گویند.آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است، اما نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.
مثالی از تقطیر آزئوتروپی استفاده از بنزن برای جداسازی کامل اتانول از آب است، که آزئوتروپی با نقطه جوش پایین با ۶/۹۵% وزنی الکل را تشکیل میدهد.مخلوط آب- الکل با ۹۵% وزنی الکل به ستون تقطیر آزئوتروپی افزوده میشود و جریان جریان غنی از بنزن از قسمت فوقانی وارد میشود.محصول ته مانده الکل تقریبا خالص است وبخار بالایی یک آزئوتروپی سه‌گانه است.این بخار مایع شده، به دو فاز تقسیم میشود.لایه آلی برگشت داده شده، لایه آلی به ستون بازیافت بنزن فرستاده میشود.همه بنزن و مقدار الکل در بخار بالایی گرفته شده، به ستون اول روانه میشوند.جریان انتهایی در ستون سوم تقطیر میشود تا آب خالص و مقداری آزئوتروپ دوگانه از آن بدست آید.
تقطیر
اطلاعات اولیه
روش جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول گوناگونند.یکی از این روشها فرآیند تقطیر است که خود روشهای مختلفی دارد و از جمله کاربردهای مهم آن در پالایش نفت و جدا سازی اجزایی آن است.
تعریف تقطیر
تقطیر، جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول با روش تبخیر و تراکم است.
انواع تقطیر
• تقطیر ساده:
اجزای سازنده محلولی از یک ماده حل شده غیر فعال را میتوان با تقطیر ساده از هم جدا کرد.برای این کار محلول را می‌جوشانیم تا حلال فرار، تبخیر و از ماده حل شده جدا شود.با سرد کردن بخار (میعان)، حلال مایع جمع آوری میشود و ماده حل شده به صورت باقی مانده تقطیر باقی می‌ماند.
• تقطیر جز به جز:
اجرای سازنده محلول شامل دو جز فرار را که از قانون رائول پیروی میکند، میتوان با فرآیند تقطیر جز به جز از هم جدا کرد.طبق قانون رائول، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای بخار سازنده آن است و سهم هر جز برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جز در فشار بخار آن در حالت خاص است.
مراحل تقطیر با استفاده از قانون رائول
• در تقطیر محلولی از A و B، غلضت A در بخاری که خارج شده و مایع میشود بیش از غلضت آن در مایع باقی مانده است.با ادامه عمل تقطیر، ترکیب درصد اجزا در بخار و مایع دائما تغییر میکند و این در هر لحظه عمومیت دارد.با جمع آوری مایعی که ازسرد شدن بخار حاصل میشود و از تقطیر مجدد آن و با تکرار پی در پی این عمل، سرانجام میتوان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی واقعا خالص به دست آورد.
• سیستمهای که از قانون رائول انحراف دارند بر دو نوع هستند:
سیستمهای که از قانون رائول انحراف مثبت دارند:
در این حالت در منحنی فشار کل، ماکسیممی وجود دارد.این ماکسیم مربوط به محلولی، با ترکیب درصد معینی است که فشار بخار آن بالاتر از فشار بخار هر یک اجزای خالص است.این نوع محلول که محلول آزئوتروپ با نقطه جوش مینیمم نام دارد، در دمایی به جوش می‌آید که پایین‌تر از نقطه جوش هر یک از اجزای آن در حالت خاص است.
o سیستمهای که از قانون رائول انحراف منفی دارند:
اگر سیستمی انحراف منفی از قانون رائول نشان دهد، در منحنی فشار کل مینیممی وجود خواهد داشت.محلولی که غلظت متناظر با این مینیمم دارد، فشار بخاری خواهد داشت که در هر دمایی، پایین‌تر از فشار بخار هر یک از اجزای آن در حالت خاص است.چنین محلولی در دمایی بالاتر از نقطه جوش هر یک از اجزای سازنده در حالت خاص، میجوشد.این محلول آزئوتروپ با نقطه جوش ماکسیم نامیده میشود.
تعادل بخار با محلول آزئوتروپ
بخار در حالت تعادل با مایع آزئوتروپی چگونه به دست می‌آید؟
بخار در حالت تعادل با مایع همگن که نقطه جوش ماکسیمم یا مینیمم دارد، دارای همان غلظتی است که مایع آن دارد.از این رو آزئوتروپ‌ها، مانند مواد خالص، بدون تغییر تقطیر میشوند.از محلول جز به جز یک محلول دو جزئی که آزئوتروپی تشکیل میدهند، سرانجام یک جز خالص، و آزئوتروپ حاصل میشود ولی دو جز آن به صورت خالص به دست نمی‌آید.
هنگامی که ناخالصی غیر فراری (مانند شکر یا نمک) به مایع خالصی اضافه میشود فشار بخار مایع تنزل می‌یابد و به این دلیل که مولکولهایی که در سطح مایع هستند فقط مولکولهای جسم فرار نیستند قابلیت تبخیر مایع کم میشود.در هنگام تقطیر یک مایع خالص چنانچه مایع زیاده از حد گرم نشود درجه حرارتی که در گرماسنج دیده میشود، یعنی درجه حرارت دهانه خروجی، با درجه حرارت مایع جوشان در ظرف تقطیر، یعنی درجه حرارت ظرف، یکسان است.
شکل دستگاه تقطیر ساده:
۱- شعله ۲- بالن ته گرد ۳- سه راهی تقطیر ۴- دماسنج ۵- سرد کننده ۶- ورودی آب ۷- خروجی آب ۸- بالن ۹- خروج هوا وبخار ۱۰- رابط خلاء
درجه حرارت دهانه خروجی، که به این ترتیب به نقطه جوش مایع مربوط میشود، در طول تقطیر ثابت می‌ماند.
هرگاه در مایعی که تقطیر میشود ناخالصی غیر فراری موجود باشد، درجه حرارت دهانه خروجی همان درجه حرارت مایع خالص است زیرا ماده ای که بر روی حباب گرما سنج متراکم میشود به ناخالصی آلوده نیست.ولی درجه حرارت ظرف به علت کاهش فشار بخار محلول بالا میرود.
بخش عملی
الف) تقطیر ساده تتراکلریدکربن
۲۰ میلی لیتر تتراکلرید کربن را در بالن تقطیر ۵۰ میلی لیتری بریزید (احتیاط:هرگز از بالنی که بیش از نصف آن از ماده پر شده است استفاده نکنید) دستگاه تقطیر ساده را مطابق شکل سوار کنید و توجه نمائید که حباب دماسنج یا مخزن جیوه ای درست زیر بازوی جانبی بالن تقطیر (محل خروج بخار از بالن) باشد.قطعه کوچکی از سنگ جوش اضافه کنید تا امکان تاخیر در جوش که سبب میشود مایع ناگهانی بالا آید و یا به طور غیر منتظره بداخل مبرد پرت شود، از بین برود.
بالن را با شعله کم حرارت دهید و طوری شعله را تنظیم کنید که سرعت ریختن مایع حاصل از سرد شدن که از مبرد به داخل ظرف جمع آوری می‌ریزد حدود یک قطره در ثانیه باشد.نموداری از تغییرات درجه حرارت نسبت به حجم مایع جمع آوری شده رسم نمائید و درجه حرارتی که مایع بیشتری تقطیر میشود به عنوان نقطه جوش یاداشت نمائید.تقطیر را در حالی که ۳-۲ میلی لیتر مایع در بالن تقطیر مانده است قطع کنید.
نقطه جوشی که به دست آورده اید با نقطه جوش کربن تترا کلرید که در کتاب یا مقالات ذکر شده است مقایسه نمائید.
ب) تقطیر ساده متانول و آب
در یک بالن ۱۰۰ میلی لیتری مخلوطی از ۲۵ میلی لیتر متانول و ۲۵ میلی لیتر آب بریزید.دو عدد سنگ جوش کوچک در بالن بیندازید و به آرامی بالن را حرارت دهید.درجه حرارتی که اولین قطره مایع از نوک ترمومتر به داخل بالن میچکد (میعان) یادداشت کنید و به عنوان شروع تقطیر در نظر بگیرید.در همین لحظه بخارات داخل لوله جانبی شده و مایع میشود و سرازیر شده از دهانه خروجی مبرد وارد ظرف جمع آوری میشود.در ابتدای شروع تقطیر حرارت را به گونه ای تنظیم کنید که سرعت تقطیر یک قطره در ثانیه باشد.دمای ترمومتر را بر حسب حجم تقطیر شده یادداشت کنید و منحنی آنرا رسم کنید.
در فشار ۷۶۰ mmHg متانول در ۷/۶۴ درجه سانتیگراد و آب در oC 100 میجوشد.توجه داشته باشید که در فشار آزمایشگاه در دمای پایین تری تقطیر متانول شروع خواهد شد.هنگامی که ۳-۲ میلی لیتر مایع در ته بالن باقی مانده است تقطیر را متوقف کنید.
قطیر به کمک بخار آب
• تقطیر به کمک بخار آب:یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد میکنند در این صورت بی آنکه خلاء‌ای ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر میشوند.این مورد معمولا در زمانی انجام میشود که در نقطه جوش آب، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.
غالبابه کمک تقطیر با بخار آب میتوان ترکیبات آلی فراری را که باآب مخلوط نمی شوند یا تقریبا با آن غیر قابل اختلاط هستند تفکیک و تخلیص کرد.در این روش مخلوط آب وجسم آلی با هم تقطیر میشوند.عمل تقطیر یکمخلوط غیر قابل امتزاج در صورتی که یکی از اجزا آب باشد تقطیر با بخار آب نامیده میشود.
با توجه به اصولی که در تقطیر با بخار آب وجود داردمی توان محاسن ومحدودیت های این روش را به بهترین وجه تشریح کرد.در مخلوطی از مواد فرار و غیر قابل اختلاط فشار جزییpiهر جز در یک درجه حرارت معین برابر با فشار بخار piترکیب خالص در همان درجه حرارت استو به جز مولی ترکیب در مخلوط بستگی نداردیعنی هر یک از اجزای سازنده مخلوط به طور مستقل از اجزای دیگر تبخیر میشوند.
این حالت با مخلوط مایعات قابل اختلاط اختلاف زیادی دارد زیرا که در این مایعات فشار جزیی هر جز سازنده به جز مولی آن در محلول مربوط است.(قانون رائول)در مخلوط ترکیبات فرار وغیر قابل اختلاط بر طبق قانون دالتون فشار کلی Ptمحلول (مخلوط)گازها با مجموع فشارهای جزیی گازهای تشکیل دهنده می‌شودو به این ترتیب فشار بخار کلی این مخلوط از معادله زیر به دست می‌آید:
از این عبارت چنین ر می‌آید که همواره در هر درجه حرارتی فشار بخار کل مخلوط حتی از فشار بخار فرارترین جز در آن درجه حرارت بیشتر است زیرا که فشار بخار اجزای دیگر مخلوط هم دخالت میکنند.بنابراین باید درجه جوش مخلوط ترکیبهای غیر قابل اختلاط کمتر از جزیی باشد که کمترین نقطه جوش را دارد.درجه حرارت تقطیر با بخار آب نسبتا پایین (۱۰۰درجه یا کمتراز آن)است و این تقطیر به خصوص در تخلیص موادی به کار میرود که نسبت به حرارت حساسیت دارندودر حرارت های بالا تجزیه میشوند.هم چنین این روش برای جدا کردن
ترکیب از مخلوط از مخلوط واکنشی که محتوی مقدار زیادی از مواد (قیرمانند)باشد مفید است.این مواد غیر فرار و بی مصرف در اغلب واکنشهای آلی تشکیل میشوند.ترکیب درصد محصولی که در تقطیر با بخار آب به دست می‌آید به وزن مولکولی ترکیبات مورد تقطیر و هم چنین به فشار بخار آنها در درجه حرارت تقطیر مخلوط بستگی دارد.مخلوطی از دو جز غیر قابل اختلاط AوBرا در نظر بگیرید.چنانچه بخارهای AوBمانند گازهای ایده آل عمل میکنند با استفاده از قانون گازهای ایه آل میتوان دو عبارت زیر را به دست آورد:
از تقسیم معادله اول به دوم چنین به دست می‌آید:
چون فاکتور RTدر صورت و مخرج کسر مساوی است و حجم اشغالی گاز برای هر دو یکسان است(VA=VB)عبارت بالا چنین میشود:
فرایند تقطیر با بخار آب در آزمایشگاه و صنعت به طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد.به عنوان مثال برای جداسازی الفاپی نن-آنیلین-نیتروبنزنوبسیاری از اسانس های طبیعی وروغن های معطر به کار میرود.به طور خلاصه تقطیر با بخار آب روشی را فراهم میکند که به کمک آن میتوان ترکیبات آلی مایع و جامدی را که فرار هستند ودر آب حل نمی شوند (یا تقریبا در آن نا محلولند)در شرایط نسبتا ملایم از ترکیبات غیر فرار جدا کرد.مسلما این روش برای موادی که در اثر تماس زیاد با آب گرم تجزیه میشوند یا با اب واکنشی میدهند یا در ۱۰۰درجه فشار بخارشان ۵میلی متر یا کمتر باشد مناسب نیست.
غالبا به کمک تقطیر با بخار آب میتوان ترکیبات آلی فراری را که با آب مخلوط نمیشوند یا تقریبا با آن غیر قابل اختلاط هستند تفکیک و تخلیص کرد.در این روش مخلوط آب و جسم آلی با هم تقطیر میشوند.که به دو صورت امکان پذیر است:
۱) روش مستقیم:که مخلوط آب و ماده آلی با همدیگر حرارت داده میشوند (تقطیر بوسیله آب).
۲) روش غیر مستقیم:که بخار آب را در ظرف دیگری ایجاد کرده و از داخل ماده آلی عبور میدهند.
در تقطیر با بخار آب طبق قانون دالتون فشار بخارهای حاصله در درجه حرارت معین، برابر با مجموع فشارهای جزئی همان بخارها است:
PT = P1 + P2 + P3 + …
از این عبارت چنین بر می‌آید که همواره در هر درجه حرارتی فشار بخار کل مخلوط حتی از فشار بخار فرار ترین جزء در آن درجه حرارت بیشتر است، زیرا که فشار بخار اجزای دیگر مخلوط هم دخالت میکنند.بنابر این باید درجه جوش مخلوط ترکیبهای غیر قابل اختلاط کمتر از جزئی باشد که کمترین نقطه جوش را دارد.
آب (با نقطه جوش ۱۰۰ درجه) و بروموبنزن (با نقطه جوش ۱۵۶ درجه) در یکدیگر نامحلولند.این مخلوط در حدود ۹۵ درجه سانتیگراد میجوشد.در این درجه، فشار بخار کل مخلوط برابر با فشار آتمسفر است.همانگونه که طبق نظریه دالتون پیش بینی میشد این درجه کمتر از نقطه جوش هر یک از این دو ماده به صورت خالص است.
مزیت استفاده از تقطیر با بخار آب در این است که درجه حرارت در این تقطیر نسبتا پایین است (کمتر از ۱۰۰ درجه) و این روش برای خالص سازی موادی به کار میرود که نسبت به حرارت حساسند و در حرارتهای بالا تجزیه میشوند.همچنین این روش برای جدا کردن ترکیب، از مخلوط واکنشی که محتوی مقدار زیادی از مواد قیر مانند باشد مفید است.
بخش عملی
تقطیر با بخار آب بروموبنزن
در یک بالن ته گرد مقدار ۲۰ میلی لیتر بروموبنزن و ۱۰ میلی لیتر آب بریزید و دستگاه تقطیر با بخار آب را مطابق شکل ببندید.
شکل دستگاه تقطیر با بخار آب:
۱- حرارت، ۲- آب، ۳- ماده آلی، ۴- مخلوط آب و ماده آلی تقطیر شده، ۵- لوله اطمینان (طول ۳۶-۲۴ اینچ، قطر داخلی بزرگتر یا مساوی ۸ میلیمتر)
حرارت را آغاز کنید.برای جلوگیری از جمع شدن آب در ظرف حاوی ماده آلی (ظرف۳) آنرا نیز حرارت دهید محصول را جمع آوری نمایید و هنگامی که دیگر بر اثر افزوده شدن محصول تقطیر حجم بروموبنزن تقطیر شده تغییر نکرد زمان پایان تقطیر است.حجم کل محصول تقطیر جمع آوری شده و حجم بروموبنزن موجود در آن را یاداشت کنید.
تقطیری است.که توسط جریانی از بخار آب به من منظور تقطیر کردن یک جزء معین ازیک مخلوط یا برای جلوگیری از دمای بسیار بالا طی تقطیر مورد استفاده قرار می‌گیرد.این روش شامل تقطیر دومایع امتزاج پذیر درجریانی از بخار آب است نسبت وزن های دوماده تقطیر شده به صورت m1p1/m2p2 است که درآن m1 و m2 وزن ملکولی دوماده و p1 وp2 فشار بخار هریک از آن ها دردمای تقطیر است.
موادی با وزن مولکولی نسبتا بالا را میتوان علی رغم فشار بخار نسبتا پایین آنها دردمای تقطیر به مقادیر چشمگیری تقطیر کرد.دراین موارد که مخلوط دومایع دیر جوش می‌باشد.
بدین ترتیب عمل می‌نمایند.که با توجه به شکل دربالن اول آب را به صورت بخار درآورده وارد بالن دوم محتوی دومایع میکنند دراین صورت یکی ازدومایع به وسیله بخار ازمایع دیگر جدا وخارج میشود.در صورت لزوم وبرای خودداری از به کاربردن دمای بسیار بالا تقطیر بابخار آب را میتوان با فشارکم نیز انجام داد.با این روش میتوان محلول های دیر جوش تری را نیز از هم جدا نمود.
- در صورتی که به هر دلیلی موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید با ما تماس بگیرید.
