به گزارش بازار، در کلاس علوم احتمالاً دستگاهی دیدهاید که از یک بالن، یک لوله خنککننده و یک ظرف جمعآوری ساخته شده بود و آب شور را به آب شیرین تبدیل میکرد. همین اصل ساده، در ابعاد بزرگتر، در پالایشگاهها، کارخانههای داروسازی، صنایع غذایی و کارگاههای گلابگیری هم کار میکند. در این مقاله توضیح میدهیم دستگاه تقطیر چگونه کار میکند، از چه اجزایی ساخته شده، چه مخلوطهایی را جدا میکند و برای هر کاربرد چه نوعی مناسب است.
دستگاه تقطیر چیست؟
دستگاه تقطیر وسیلهای است که اجزای یک مخلوط مایع را با استفاده از تفاوت نقطه جوش آنها از هم جدا میکند. مایع داخل دستگاه گرم میشود، جزئی که نقطه جوش پایینتری دارد زودتر به بخار تبدیل میشود، بخار در مسیر خنککننده دوباره به مایع برمیگردد و در ظرفی جداگانه جمع میشود. مایعی که در ظرف جمعآوری قرار میگیرد «مقطر» نام دارد.
پاسخ کوتاه برای دانشآموزان: اساس کار دستگاه تقطیر، تفاوت نقطه جوش مواد و تبدیلهای تبخیر و میعان است. برای نمونه، اگر آب و الکل را با هم مخلوط کنیم و گرما بدهیم، الکل با نقطه جوش حدود ۷۸ درجه سانتیگراد زودتر از آب (۱۰۰ درجه) بخار میشود. بخار الکل در کندانسور سرد میشود و بهصورت مایع در ظرف جمعآوری میچکد. این کار همان جداسازی دو مایع از هم است.
اساس کار دستگاه تقطیر چیست؟
هر ماده خالص در فشار مشخص، نقطه جوش ثابتی دارد. وقتی چند مایع در هم حل شده باشند و محلول همگن بسازند، نمیشود آنها را با صافی یا تهنشینی جدا کرد. تقطیر این مشکل را با سه تغییر حالت حل میکند:
- تبخیر: گرما به مخلوط میرسد و جزء فرارتر سریعتر به بخار تبدیل میشود.
- حرکت بخار: بخار از بالن به سمت لوله رابط و کندانسور میرود.
- میعان (چگالش): بخار در تماس با سطح سرد کندانسور گرما از دست میدهد و دوباره مایع میشود.
در واقعیت، در هر دمایی مقدار کمی از همه اجزا تبخیر میشود. در دمای پایینتر سهم جزء فرارتر در بخار بیشتر است. به همین دلیل مقطر اولیه غنی از ماده فرارتر است، ولی همیشه خالص مطلق نیست.
اجزای دستگاه تقطیر ساده
دستگاه تقطیر ساده آزمایشگاهی معمولاً از شیشه ساخته میشود و این بخشها را دارد:
- منبع حرارت: هیتر برقی، حمام آب، حمام روغن یا شعله گاز که مایع را گرم میکند.
- بالن تقطیر: ظرفی که مخلوط اولیه در آن ریخته میشود. بالن تهگرد رایجترین نوع است.
- سنگ جوش: تکههای کوچک متخلخل که جوشش را یکنواخت میکنند و از پرش ناگهانی مایع جلوگیری میکنند.
- ترمومتر: دمای بخار را نشان میدهد. مخزن آن باید مقابل خروجی بخار قرار بگیرد.
- لوله رابط (سر تقطیر): بخار را از بالن به کندانسور منتقل میکند.
- کندانسور (مبرد): لولهای که دور آن جریان آب سرد میچرخد. آب از پایین وارد و از بالا خارج میشود تا خنککاری بهتر انجام شود.
- ظرف جمعآوری: ارلن یا بشری که مقطر در آن جمع میشود.
در دستگاههای صنعتی و نیمهصنعتی اجزای دیگری هم دیده میشود، مانند دیگ استیل، ویگرو (ستون جداکننده)، ترمومانومتر برای اندازهگیری دما و فشار، الکلسنج و مزور.
دستگاه تقطیر ساده چگونه کار میکند؟
مراحل کار در تقطیر ساده به این ترتیب است:
- مخلوط را در بالن بریزید. حجم آن بیش از دوسوم بالن نباشد. چند عدد سنگ جوش هم اضافه کنید.
- اجزا را روی پایه ببندید و همه اتصالها را آببندی کنید. نشتی باعث از دست رفتن بخار میشود.
- جریان آب سرد را در کندانسور برقرار کنید.
- بالن را بهتدریج گرم کنید. تندی گرما را طوری تنظیم کنید که مقطر با سرعت یکنواخت بچکد.
- وقتی دما به نقطه جوش جزء فرارتر میرسد، بخار بالا میرود و ترمومتر عدد ثابتی را نشان میدهد.
- بخار در کندانسور به مایع تبدیل میشود و در ظرف جمعآوری میچکد.
- پیش از خشک شدن ته بالن، گرما را قطع کنید و بگذارید دستگاه خنک شود.
ثابت ماندن عدد ترمومتر نشانه خوبی است. اگر دما ناگهان بالا برود، یعنی جزء دوم مخلوط شروع به تبخیر کرده و باید ظرف جمعآوری را عوض کنید.
مثال دستگاه تقطیر برای علوم هشتم و نهم
این مثالها در کتابها و امتحانهای علوم بیشتر از بقیه تکرار میشوند:
- آب و نمک: نمک در دمای معمولی تبخیر نمیشود. با گرم کردن آب نمک، فقط آب بخار میشود و در کندانسور به آب مقطر تبدیل میشود. نمک ته بالن باقی میماند. مثال آب دریا و تهیه آب شیرین از همین روش است.
- آب و الکل: به دلیل اختلاف نقطه جوش (۷۸ و ۱۰۰ درجه)، الکل زودتر جدا میشود.
- آب و جوهر یا رنگ: آب بخار میشود و مقطر بیرنگ است. رنگدانه در بالن میماند.
- گل و آب (گلابگیری): بخار آب اسانس گیاه را همراه خود میبرد و پس از میعان، گلاب یا عرق گیاهی به دست میآید.
دستگاه تقطیر برای جداسازی چه مخلوطهایی استفاده میشود؟
پرسش «دستگاه تقطیر برای جداسازی چه مخلوطهایی است» در امتحان علوم هشتم و نهم زیاد پرسیده میشود. پاسخ آن:
- محلولهای همگن مایع در مایع که نقطه جوش اجزای آنها با هم فاصله دارد، مثل آب و الکل یا آب و استون.
- محلول جامد در مایع که جامد فرار نیست، مثل آب و نمک یا آب و شکر.
- مخلوطهای پیچیدهای مانند نفت خام که با تقطیر جزء به جزء به بنزین، نفت سفید، گازوئیل و ... تفکیک میشود.
دستگاه تقطیر برای جدا کردن مخلوط ناهمگن مانند آب و شن یا آب و روغن کاربرد ندارد. آنها را با صافی یا دکانتور جدا میکنند.
انواع تقطیر و تفاوت آنها
|
نوع تقطیر |
ویژگی |
کاربرد رایج |
|
تقطیر ساده |
مناسب مایعهایی که نقطه جوش آنها دستکم حدود ۲۵ درجه اختلاف دارد |
آب مقطر، آزمایشگاه مدرسه |
|
تقطیر جزء به جزء |
ستون تقطیر چند مرحله میعان و تبخیر ایجاد میکند |
پالایش نفت، جداسازی مایعهای با نقطه جوش نزدیک |
|
تقطیر در خلأ |
با کم کردن فشار، نقطه جوش پایین میآید |
مواد حساس به گرما، داروسازی |
|
تقطیر با بخار آب |
بخار آب ترکیبهای فرار را از ماده اولیه میگیرد |
عرقگیری، استخراج اسانس |
باید بدانید مخلوط آب و اتانول به ترکیب ثابتی حدود ۹۶ درصد الکل میرسد و با تقطیر ساده از این حد خالصتر نمیشود. این پدیده «آزئوتروپ» نام دارد.
دستگاه تقطیر خانگی و صنعتی
دستگاه تقطیر خانگی که با نامهای عرقگیر و گلابگیر هم شناخته میشود، معمولاً ظرفیتی بین ۱۰ تا ۵۰ لیتر دارد. برای عرقیات گیاهی، گلاب و آب مقطر استفاده میشود. دستگاههای صنعتی حجم بالاتر، کندانسور بزرگتر و کنترل دقیقتر دما و فشار دارند و برای تولید انبوه در صنایع غذایی و دارویی طراحی میشوند.
کندانسور این دستگاهها دو نوع دارد. نوع آبی با جریان آب سرد کار میکند و خنککاری پایداری دارد. نوع برقی از فن استفاده میکند، به آب نیاز ندارد و در جاهایی که آب کم است کاربرد دارد.
کاربردهای دستگاه تقطیر
- تهیه آب مقطر برای آزمایشگاه، باتری و دستگاههای پزشکی
- تولید گلاب، عرق نعناع، عرق بیدمشک و سایر عرقیات گیاهی
- پالایش نفت و تولید بنزین، گازوئیل و نفت سفید
- تولید و خالصسازی حلالهای صنعتی
- استخراج اسانس و مواد معطر برای صنایع غذایی، بهداشتی و آرایشی
- تصفیه آب شور و تولید آب شیرین
نکات ایمنی هنگام کار با دستگاه تقطیر
- مواد قابل اشتعال مثل الکل را نزدیک شعله باز گرم نکنید و محیط را تهویه کنید.
- هرگز دستگاه را کاملاً بسته و بدون مسیر خروج بخار گرم نکنید، چون فشار بالا خطرناک است.
- شیشه داغ را با دست لمس نکنید و از دستکش و عینک استفاده کنید.
- جریان آب کندانسور را قبل از شروع گرما برقرار کنید و تا پایان کار نگه دارید.
- تقطیر نوشیدنی الکلی در کشور مشمول محدودیتهای قانونی است. از دستگاه فقط برای کاربردهای مجاز استفاده کنید.
هنگام خرید دستگاه تقطیر به چه نکاتی توجه کنیم؟
- جنس بدنه: استیل ۳۰۴ برای مصارف غذایی و دارویی مناسبتر است، چون زنگ نمیزند و با مواد واکنش نمیدهد.
- ظرفیت: حجم دیگ را با میزان کار روزانه خود متناسب انتخاب کنید.
- نوع کندانسور: نوع آبی یا برقی را بر اساس دسترسی به آب انتخاب کنید.
- لوازم جانبی: ترمومتر، ویگرو، واشر سیلیکونی و شیلنگ مقاوم در برابر گرما را بررسی کنید.
- منبع حرارت: هیتر برقی، گازی یا نوع دو منظوره را با شرایط محل کار هماهنگ کنید.
- خدمات پس از فروش: امکان تهیه قطعات یدکی و پشتیبانی فنی را بپرسید.
سوالات متداول درباره دستگاه تقطیر
کار دستگاه تقطیر چیست؟
دستگاه تقطیر مایعهای مخلوط را بر پایه تفاوت نقطه جوش از هم جدا میکند. مایع گرم میشود، بخار میشود، در کندانسور سرد میشود و دوباره به مایع تبدیل میشود.
تفاوت تقطیر ساده و تقطیر جزء به جزء چیست؟
در تقطیر ساده، مایع یکبار تبخیر و میعان میشود. در تقطیر جزء به جزء، بخار از ستون تقطیر عبور میکند و چندین مرحله میعان و تبخیر انجام میشود. به همین دلیل جداسازی مایعهای با نقطه جوش نزدیک ممکن میشود.
چرا در بالن تقطیر سنگ جوش میریزند؟
سنگ جوش حبابهای کوچک و یکنواخت ایجاد میکند. بدون آن ممکن است مایع ناگهان بجوشد و از بالن بیرون بپاشد.
آیا با دستگاه تقطیر میتوان آب شور را شیرین کرد؟
بله. آب تبخیر میشود و نمک در بالن میماند. آب حاصل از میعان بخار، شیرین و مقطر است.
ترمومتر دستگاه تقطیر را کجا قرار میدهند؟
مخزن ترمومتر باید همسطح خروجی بخار قرار بگیرد، نه داخل مایع. به این ترتیب دمای بخار را نشان میدهد و نقطه جوش ماده جداشده مشخص میشود.
نکات پایانی
دستگاه تقطیر با سه مرحله ساده تبخیر، انتقال بخار و میعان کار میکند و پایه کارش تفاوت نقطه جوش اجزای مخلوط است. اگر اجزای دستگاه را بشناسید و مراحل کار را رعایت کنید، از مسئله علوم هشتم و نهم تا تولید گلاب و پالایش نفت، منطق یکسانی را میبینید. انتخاب نوع مناسب، جنس درست بدنه و رعایت نکات ایمنی، کیفیت مقطر و طول عمر دستگاه را تعیین میکند.