אנו מסבירים מהו זיקוק, דוגמאות לשיטת הפרדה זו וסוגי הזיקוק שניתן להשתמש בהם.
מה זה זיקוק?
זיקוק נקרא שיטה של הפרדת פאזות, שהיא בין ה שיטות להפרדה של תערובות. הזיקוק מורכב משימוש רצוף ומבוקר בשני תהליכים פיזיקליים: ה הִתאַדוּת וה הִתְעַבּוּת, באמצעותם באופן סלקטיבי להפרדה בין המרכיבים של א תַעֲרוֹבֶת בדרך כלל מסוג הומוגני, כלומר, שבו לא ניתן להבחין במרכיביו בעין בלתי מזוינת.
תערובות שניתן להפריד למרכיביהן האישיים באמצעות זיקוק יכולות להכיל שניים נוזלים, א מוצק בנוזל או אפילו גזים שייקים. שיטת הפרדה זו מבוססת על ההבדל בנקודות הרתיחה (תכונה אינהרנטית של חוֹמֶר, מה ה טֶמפֶּרָטוּרָה אליו ה לַחַץ אדי נוזל שווה ללחץ המקיף את הנוזל) של חומרים שונים. החומר עם הנמוך ביותר נקודת רתיחה יש, אז החומר הזה יתעבה במיכל אחר, והוא יהיה טהור יחסית.
באופן זה, כדי שהזיקוק יתבצע בצורה נכונה, עלינו להרתיח את התערובת עד שהיא מגיעה לסף רתיחה של אחד ה חומרים רכיבים, אשר לאחר מכן יהפכו לאדים וניתן להוביל למיכל מקורר, שם הוא מתעבה והופך שוב לנוזל.
החומר המרכיב השני, לעומת זאת, יישאר במיכל ללא שינויים; אבל בשני המקרים יהיה לנו חומרים טהורים, חופשי מהתערובת הראשונית.
חוק ראול
כאשר יש לנו תערובת אידיאלית של נוזלים (תערובת שבה האינטראקציות בין ה חלקיקים שונים נחשבים שווים לאינטראקציות בין חלקיקים שווים) חוק ראול מתקיים.
חוק זה קובע כי לחץ האדים החלקי של כל רכיב בתערובת הגז שווה ללחץ האדים של הרכיב הטהור כפול שבר השומה שלו בתערובת הנוזלית.
לחץ האדים הכולל הוא, אם כן, סכום הלחצים החלקיים של מרכיבי התערובת בשלב הגז. מצד שני, שבר השומה של רכיב בתערובת הוא מדד חסר מימד לריכוזו. ניתן לחשב את הגדלים שהוזכרו לעיל באמצעות המשוואות הבאות:
איפה:
- פיקסלים י py הם הלחצים החלקיים של הרכיבים איקס ו י בהתאמה בתערובת האדים המקיפה את התערובת הנוזלית.
- px * ו-py * הם לחצי האדים של הרכיבים איקס ו י.
- xx י xy הם שברי השומה של הרכיבים איקס ו י בתערובת הנוזלית.
- nx י ny הם כמות החומר של הרכיבים איקס ו י בתערובת הנוזלית.
חוק ראול שהועלה לעיל תקף לתערובות אידיאליות (שהן מודל שקבע האדם כדי לפשט את המחקרים), אך למעשה חוק זה סובל מסטיות כאשר התערובת היא אמיתית.
לפיכך, אם לחלקיקים השונים בתערובת יש כוחות בין-מולקולריים חזקים יותר מהחלקיקים בנוזל הטהור, אז לחץ האדים של התערובת נמוך מלחץ האדים של הנוזל הטהור, מה שגורם לסטייה שלילית מהחוק על ידי ראול.
אם, לעומת זאת, הכוחות הבין-מולקולריים בין החלקיקים בנוזל הטהור גדולים מאלו של החלקיקים בתערובת, החלקיקים בתערובת יוכלו לברוח לשלב האדים ביתר קלות, כך שלחץ האדים. של התערובת תהיה גדולה יותר, מה שיגרום לסטייה חיובית מחוק ראול
כאשר רוצים לזקק תערובת אזאוטרופית (לדוגמה, אתנול ומים), יש צורך להוסיף רכיב כלשהו (בנזן, במקרה זה) כדי שהאזאוטרופ ישתנה ובדרך זו ניתן יהיה להפריד בין מרכיבי ה- תַעֲרוֹבֶת. אזאוטרופ הוא תערובת נוזלית בעלת הרכב מוגדר שכאשר היא רותחת, האדים הנוצרים בעלי אותו הרכב של התערובת (ולכן לא ניתן להפריד את מרכיבי התערובת האזאוטרופית על ידי זיקוק פשוט או חלקי).
לאזאוטרופים יש טמפרטורת רתיחה מוגדרת, למשל, בלחץ של 1 אטמוספירה, אתנול רותח ב-78.37 מעלות צלזיוס ומים רותחים ב-100 מעלות צלזיוס, בעוד שאזאוטרופי מים אתנול רותח ב-78.2 מעלות צלזיוס. לתערובות אזאוטרופיות יש סטיות שליליות או חיוביות מחוק ראול לפי העניין.
סוגי זיקוק
זיקוק יכול להתרחש בדרכים שונות:
- זיקוק פשוט. הבסיסי ביותר מורכב מהרתחה של התערובת עד להפרדת הרכיבים השונים. זוהי שיטת הפרדה יעילה כאשר נקודות הרתיחה של מרכיבי התערובת שונות מאוד, (באופן אידיאלי צריך להיות הבדל של לפחות 25 מעלות צלזיוס, אחרת היא אינה מבטיחה את הטוהר הכולל של החומר המזוקק).
- זיקוק חלקי. זה מתבצע באמצעות עמודת חלוקה, המורכבת מלוחות שונים שבהם מתבצעים האידוי והעיבוי ברציפות, מה שמבטיח טוהר גדול יותר ברכיבים המופרדים.
- זיקוק ואקום. על ידי הפחתת הלחץ עד ליצירת ואקום, התהליך עובר קטליזציה להורדת נקודת הרתיחה של הרכיבים, שכן לחלקם נקודות רתיחה גבוהות מאוד שניתן להפחית כאשר הלחץ מופחת מאוד ובכך להאיץ את תהליך הזיקוק.
- זיקוק אזאוטרופי. זהו הזיקוק הדרוש כדי לשבור אזאוטרופ, כלומר תערובת שחומריה מתנהגים כאחד, אפילו חולקים את נקודת הרתיחה, כך שלא ניתן להפריד ביניהם על ידי זיקוק פשוט או חלקי. כדי להפריד בין תערובת אזאוטרופית יש צורך לשנות את תנאי הערבוב, למשל על ידי הוספת רכיב מפריד כלשהו.
- זיקוק בקיטור. המרכיבים הנדיפים והלא נדיפים של תערובת מופרדים על ידי הזרקה ישירה של אדי מים.
- זיקוק יבש. הוא מורכב מחימום חומרים מוצקים ללא נוכחות של ממסים נוזלים, להשיג גזים ואז לעבות אותם במיכל אחר.
- זיקוק משופר. נקרא גם זיקוק חלופי או תגובתי, הוא מותאם למקרים ספציפיים של תערובות שקשה להפריד או בעלות אותה נקודת רתיחה.
דוגמאות לזיקוק
- זיקוק נפט. ההפרדה בין השונות פחמימנים נוכח ב נֵפט זה מתבצע על ידי זיקוק חלקי, אחסון בשכבות שונות או תאים נפרדים של עמודת זיקוק כל תרכובת המופקת מבישול של שמן גולמי. גזים אלו עולים ומתעבים בשכבות העליונות של העמוד, בעוד שבשכבות התחתונות נשארים חומרים צפופים יותר כמו אספלט ופרפין.
- פיצוח קטליטי. זהו השם שניתן לזיקוקי ואקום רגילים מסוימים בעיבוד נפט, תוך שימוש במגדלי ואקום כדי להפריד את הגזים מהבישול הגולמי. כך מואצת הרתיחה של הפחמימנים וה תהליך. פיצוח הוא סוג של זיקוק הרסני, שבו פחמימנים גדולים יותר נשברים (בטמפרטורות גבוהות ובאמצעות זרזים) לפחמימנים קטנים יותר, בעלי נקודות רתיחה נמוכות יותר.
- טיהור אתנול. להפריד אלכוהול כמו אתנול ממים במהלך ייצורו במעבדה, נעשה שימוש בזיקוק אזאוטרופי, המוסיף לתערובת בנזן או רכיבים אחרים המקדמים או מאיצים את ההפרדה, ולאחר מכן ניתן להסירם בקלות מבלי לשנות את ההרכב הכימי של מוצר.
- עיבוד פחם. כדי להשיג דלקים אורגניים נוזליים, נעשה שימוש בפחם או בעץ באמצעות הליכי זיקוק יבש, וכך הגזים הנפלטים ב שְׂרֵפָה.
- תרמוליזה של מלחים מינרלים. באמצעות זיקוק יבש מתקבלים חומרים מינרליים שונים בעלי תועלת תעשייתית גבוהה, מהפליטה והעיבוי של גזים המתקבלים על ידי שריפת מלחים מינרלים.
- האלמביק. זה השם שניתן למכשיר שהומצא בעת העתיקה הערבית, שמטרתו לייצר בשמים, תרופות ואלכוהול מפירות מותססים. בהפעלתו נעשה שימוש בעקרונות הזיקוק: חומרים מחוממים בדוד קטן והגזים המופקים מקוררים בסליל המוביל למיכל נוסף בו נאסף הנוזל הנוצר מעיבוי הגזים האמורים.
- ייצור בושם. זיקוק בקיטור משמש לקבלת בשמים, מים רותחים יחד עם פרחים משומרים, להפקת גז בעל הריח הרצוי ואשר לאחר עיבוי יכול לשמש כנוזל בסיס בבשמים.