Περιεχόμενο
Πολύτιμες φυσικές ουσίες συχνά εμφανίζονται ως μείγματα που περιέχουν τόσο επιθυμητά όσο και ανεπιθύμητα συστατικά. Για παράδειγμα, το αργό πετρέλαιο περιλαμβάνει διάφορους τύπους υδρογονανθράκων που είναι κατάλληλοι για διαφορετικές εφαρμογές καυσίμων, το ωκεανικό νερό έχει υψηλή περιεκτικότητα σε αλάτι και το σιδηρομετάλλευμα περιέχει μεταλλικές ακαθαρσίες επιπλέον του χρησιμοποιούμενου σιδήρου. Κατά τη διάρκεια των αιώνων, οι άνθρωποι έχουν αναπτύξει πολλούς τρόπους διύλισης ή καθαρισμού φυσικών υλικών. Η απλή απόσταξη και η κλασματική απόσταξη είναι δύο παραλλαγές μιας βασικής τεχνικής για τον διαχωρισμό των διαφόρων συστατικών ενός υγρού.
Ατμοί και εξάτμιση
Η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και εξάτμισης είναι απαραίτητη για την κατανόηση τόσο της απλής όσο και της κλασματικής απόσταξης. Όταν ένα υγρό βρίσκεται σε ανοικτό δοχείο, η ατμόσφαιρα ασκεί πίεση προς τα κάτω στην επιφάνεια του υγρού. Αυτή η ατμοσφαιρική πίεση εξουδετερώνει την τάση ατμών υγρών, η οποία δημιουργείται από την κινητική ενέργεια των μορίων που εξατμίζονται από την επιφάνεια του υγρού. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του υγρού, αυξάνεται και η μέση μοριακή κινητική ενέργεια. περισσότερα μόρια εξατμίζονται, οδηγώντας σε υψηλότερη πίεση ατμών. Βράζει όταν τα μόρια μπορούν να εξατμιστούν ελεύθερα επειδή το υγρό έχει φτάσει σε μια θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμών είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση.
Απλός διαχωρισμός
Οι διαφορετικές ενώσεις έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες βρασμού. Ομοίως, σε οποιαδήποτε δεδομένη θερμοκρασία, διαφορετικές ενώσεις θα έχουν διαφορετικές πιέσεις ατμών. Εάν ένα υγρό μείγμα διαφορετικών ενώσεων θερμαίνεται σε κλειστό δοχείο, η σύνθεση του ατμού που παγιδεύεται πάνω από το υγρό θα αντικατοπτρίζει αυτές τις διαφορές. Ο ατμός θα περιέχει περισσότερα μόρια ενώσεων με υψηλότερη τάση ατμών και λιγότερα μόρια ενώσεων με χαμηλότερη τάση ατμών. Μία ένωση με πολύ υψηλή θερμοκρασία βρασμού σε σχέση με τις άλλες ενώσεις στο μείγμα θα είναι σχεδόν απουσιάζει από τον ατμό και τα μη πτητικά διαλελυμένα στερεά, όπως το άλας, θα παραμείνουν ως ιζήματα στο θερμαινόμενο δοχείο. Η απλή απόσταξη είναι η διαδικασία συλλογής αυτού του ατμού και ψύξης του έτσι ώστε να συμπυκνώνεται πίσω σε ένα υγρό. Η απλή απόσταξη διαχωρίζει τα συστατικά ενός υγρού μίγματος επειδή το συμπυκνωμένο υγρό περιέχει ένα υψηλότερο ποσοστό ενώσεων με υψηλότερη τάση ατμών και το αρχικό υγρό περιέχει ένα υψηλότερο ποσοστό ενώσεων με χαμηλότερη πίεση ατμών.
Δίλημμα απόσταξης
Μια απλή απόσταξη αλλάζει την αναλογία των ενώσεων στα δύο τελικά υγρά, αλλά δεν επιτυγχάνει πλήρη διαχωρισμό. Η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί για να επιτευχθούν προοδευτικά υψηλότεροι βαθμοί διαχωρισμού, αλλά αυτό είναι επίσης σπάταλο, διότι κατά τη διάρκεια κάθε διαδικασίας απόσταξης, κάποια μόρια διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα και μερικά παραμένουν ως κατάλοιπα στον εξοπλισμό απόσταξης. Η κλασματική απόσταξη αντιμετωπίζει αυτό το δίλημμα - βελτιώνοντας την απλή απόσταξη επιτυγχάνοντας υψηλότερους βαθμούς διαχωρισμού μόνο σε μία διαδικασία απόσταξης.
Μια στήλη, πολλαπλές εξατμίσεις
Η κύρια διαφορά μεταξύ της κλασματικής απόσταξης και της απλής απόσταξης είναι η προσθήκη στήλης κλασματοποίησης μεταξύ του θερμαινόμενου δοχείου και του τόπου όπου συμπυκνώνεται ο ατμός. Αυτή η στήλη είναι γεμάτη με υλικά, όπως λεπτά μεταλλικά σύρματα ή γυάλινες χάντρες, που ενθαρρύνουν τη συμπύκνωση επειδή έχουν μεγάλη επιφάνεια. Καθώς οι ατμοί ανεβαίνουν μέσω της κλασματικής στήλης, συμπυκνώνονται σε υγρό στις ψυχρότερες επιφάνειες αυτών των υλικών. Οι θερμές ατμοί που ανεβαίνουν από κάτω προκαλούν αυτό το υγρό να εξατμιστεί, κατόπιν συμπυκνώνει και πάλι, τότε εξατμίζεται ξανά και ούτω καθεξής. Κάθε εξάτμιση οδηγεί σε ατμό με υψηλότερη αναλογία μορίων με υψηλότερη τάση ατμών. Έτσι, η κλασματική απόσταξη επιτυγχάνει ανώτερο διαχωρισμό με λιγότερη απώλεια υλικού επειδή μία διαδικασία είναι ισοδύναμη με πολλαπλούς γύρους απλής απόσταξης.