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
[แก้]การกลั่นเชิงพาณิชย์ของสารอินทรีย์มีบทบาทสำคัญในงานของศาสตราจารย์อิสลามจากศตวรรษที่ 9 ญาบิร ตัวอย่างเช่นใน Kitāb al-Sabʿīn ('ตำราเจ็ดสิบเล่ม') ซึ่งแปลเป็นภาษาละตินโดย Gerard of Cremona (ค.ศ. 1114–1187) ในชื่อ Liber de septuaginta[1] การทดลองของ ญาบิร ด้วยการกลั่นเชิงพาณิชย์ของสารจากสัตว์และพืช และในระดับที่น้อยกว่าสำหรับสารแร่ธาตุ กลายเป็นหัวข้อหลักของ De anima in arte alkimiae ซึ่งเป็นงานที่เขียนเป็นภาษาภาษาอาหรับที่ไม่ได้เขียนโดย อิบน์ ซีนา และถูกแปลเป็นภาษาละติน โดยจะกลายเป็นแหล่งข้อมูลทางเคมีที่สำคัญที่สุดของ โรเจอร์ เบคอน (ป. 1220–1292) [2]
การตั้งค่าห้องปฏิบัติการ
[แก้]การกลั่นเชิงพาณิชย์ในห้องปฏิบัติการใช้เครื่องมือและอุปกรณ์แก้วที่พบได้ทั่วไป ซึ่งรวมถึง บุนเซนเบอร์เนอร์, ฟลาสก์ก้นกลม, คอนเดนเซอร์, และ คอลัมน์กลั่นเชิงพาณิชย์ ที่ใช้เฉพาะทาง
ยกตัวอย่างเช่น การกลั่นของสารละลายที่ประกอบด้วยน้ำและ เอทานอล เอทานอลเดือดที่ 78.4 องศาเซลเซียส (173.1 องศาฟาเรนไฮต์) ขณะที่น้ำเดือดที่ 100 องศาเซลเซียส (212 องศาฟาเรนไฮต์) ดังนั้นการให้ความร้อนแก่สารละลายจะทำให้สารที่มีความระเหยสูง (เอทานอล) รวมตัวในไอที่ออกมาจากของเหลวมากขึ้น บางส่วนผสมจะสร้าง สารผสมที่มีจุดเดือดต่ำกว่าส่วนประกอบแต่ละตัว ตัวอย่างเช่น การผสมเอทานอล 96% และน้ำ 4% เดือดที่ 78.2 องศาเซลเซียส (172.8 องศาฟาเรนไฮต์) 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
[แก้]
การกลั่นเชิงพาณิชย์เป็นรูปแบบของเทคโนโลยีการแยกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน โรงกลั่นน้ำมัน, โรงปิโตรเคมี และ โรงงานเคมี, การแปรรูปก๊าซธรรมชาติ และ การแยกอากาศแบบความเย็น[3][4] ในกรณีส่วนใหญ่ การกลั่นจะดำเนินการที่ สถานะต่อเนื่อง คงที่ โดยมีการเพิ่มสารใหม่ตลอดเวลาและการถอดผลิตภัณฑ์ออกตลอดเวลา เว้นแต่จะมีการรบกวนกระบวนการเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสารที่ป้อน ความร้อน อุณหภูมิแวดล้อม หรือการควบแน่น ปริมาณของสารที่ป้อนและปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ถอดออกจะปกติเท่ากัน ซึ่งเรียกว่าการกลั่นเชิงพาณิชย์ในสถานะคงที่ต่อเนื่อง
การกลั่นเชิงพาณิชย์มักดำเนินการในคอลัมน์ทรงกระบอกแนวตั้งขนาดใหญ่ที่เรียกว่า "หอการกลั่น" หรือ "คอลัมน์การกลั่น" โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ประมาณ 0.65 ถึง 6 เมตร (2 ถึง 20 ฟุต)* และความสูงตั้งแต่ประมาณ 6 ถึง 60 เมตร (20 ถึง 197 ฟุต)* 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:
- มีจำนวน อะตอมของคาร์บอน มากกว่า
- มี น้ำหนักโมเลกุล สูงกว่า
- เป็น แอลเคน ที่มีการแตกแขนงน้อยกว่า
- มีสีเข้มกว่า
- มี ความหนืด มากกว่า
- จุดติดไฟและการ เผาไหม้ ยากกว่า
หอการกลั่นขนาดใหญ่ใช้ การไหลกลับ เพื่อให้การแยกผลิตภัณฑ์มีความสมบูรณ์มากขึ้น[5] 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 (1–3 in (25–76 mm) 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
[แก้]
การออกแบบและการทำงานของคอลัมน์การกลั่นขึ้นอยู่กับสารที่ป้อนและผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เมื่อต้องการป้อนที่เป็นส่วนประกอบง่าย ๆ และไบนารี วิธีการวิเคราะห์เช่น วิธีแมคคาเบ-ธีล[4][6][7] หรือ สมการเฟนสก์[4] สามารถใช้ได้ สำหรับสารผสมหลายส่วนประกอบ, แบบจำลองการจำลอง จะถูกใช้ทั้งในการออกแบบและการทำงาน
นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของอุปกรณ์การติดต่อระหว่างไอและของเหลว (ที่เรียกว่า แผ่น หรือ ถาด) ที่ใช้ในคอลัมน์การกลั่นมักจะต่ำกว่าประสิทธิภาพของ ขั้นตอนสมดุลทฤษฎี ที่ 100% 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[8]
อ้างอิง
[แก้]- ↑ Kraus, Paul (1942–1943). Jâbir ibn Hayyân: Contribution à l'histoire des idées scientifiques dans l'Islam. I. Le corpus des écrits jâbiriens. II. Jâbir et la science grecque. Cairo: Institut Français d'Archéologie Orientale. ISBN 9783487091150. OCLC 468740510. Vol. II, p. 5. For the identification of the Latin translation as the work of Gerard of Cremona watch Burnett, Charles (2001). "The Coherence of the Arabic-Latin Translation Program in Toledo in the Twelfth Century". Science in Context. 14 (1–2): 249–288. doi:10.1017/S0269889701000096. S2CID 143006568. p. 280; Moureau, Sébastien (2020). "Min al-kīmiyāʾ ad alchimiam. The Transmission of Alchemy from the Arab-Muslim World to the Latin West in the Middle Ages". Micrologus. 28: 87–141. hdl:2078.1/211340. pp. 106, 111.
- ↑ Newman, William R. (2000). "Alchemy, Assaying, and Experiment". ใน Holmes, Frederic L.; Levere, Trevor H. (บ.ก.). Instruments and Experimentation in the History of Chemistry. Cambridge: MIT Press. pp. 35–54. ISBN 9780262082822. p. 44.
- ↑ Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (1st ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
- ↑ 4.0 4.1 4.2 Perry, Robert H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
- ↑ "Reflux drum". Alutal (ภาษาอังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 2020-09-18.
- ↑ Beychok, Milton (May 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.
- ↑ Seader, J. D.; Henley, Ernest J. (1998). Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.
- ↑ Ibrahim, Hassan Al-Haj (2014). "Chapter 5". ใน Bennett, Kelly (บ.ก.). Matlab: Applications for the Practical Engineer. Sciyo. pp. 139–171. ISBN 978-953-51-1719-3.