વિભાગીય નિસ્યંદન (fractional distillation)

વિભાગીય નિસ્યંદન (fractional distillation) : બે અથવા તેથી વધુ બાષ્પશીલ પ્રવાહીના મિશ્રણમાંથી ઘટકોને તેમના ઉત્કલનબિંદુના આધારે પરિશોધન (rectification) દ્વારા લગભગ શુદ્ધ સ્થિતિમાં છૂટાં પાડવાની નિસ્યંદનની પ્રવિધિ. કોઈ પણ પ્રવાહીને ગરમ કરવામાં આવે ત્યારે તેની બાષ્પ ઉત્પન્ન થાય છે, જેના લીધે પ્રવાહી બાષ્પદબાણ (vapour pressure) ધરાવે છે. બાષ્પદબાણ વાતાવરણના દબાણ જેટલું થાય ત્યારે પ્રવાહી ઊકળે છે. વિવિધ પ્રવાહીઓ જુદાં જુદાં બાષ્પદબાણ ધરાવતા હોવાથી તેમનાં ઉત્કલનબિંદુઓ અલગ અલગ હોય છે. આથી જ્યારે કોઈ એક સંઘટન (composition) ધરાવતાં બે પ્રવાહીઓના મિશ્રણને ગરમ કરવામાં આવે છે ત્યારે વધુ બાષ્પશીલ પદાર્થ વધુ પ્રમાણમાં બાષ્પીભવન પામે છે. આના કારણે મૂળ પ્રવાહી મિશ્રણ કરતાં બાષ્પનું સંઘટન જુદું હોય છે. બાષ્પમાં બાષ્પશીલ પદાર્થનું પ્રમાણ વધુ હોય છે જ્યારે પ્રવાહી પ્રાવસ્થા(phase)માં અબાષ્પશીલ પ્રવાહીનું પ્રમાણ વધુ હોય છે. આ બાષ્પને ઠારીને તેનું ફરી બાષ્પીભવન કરવામાં આવે તો બાષ્પશીલ પદાર્થ વધારે પ્રમાણમાં ધરાવતી બાષ્પ મળે છે. આ ક્રિયા વારંવાર કરવામાં આવે તો અંતે લગભગ શુદ્ધ ઘટકો મળી શકે.

આદર્શ દ્રાવણો અંગેના રાઉલ્ટના નિયમ પ્રમાણે કોઈ એક તાપમાને દ્રાવણમાંના એક ઘટક(A)નું બાષ્પદબાણ (P_A) એ શુદ્ધ પ્રવાહીના બાષ્પદબાણ અને દ્રાવણમાંના તેના મોલ-અંશ (mol fraction) (x_A)ના ગુણાકાર બરાબર હોય છે. બાષ્પશીલ ઘટકો ધરાવતી આવી એક દ્વિઅંગી (binary) પ્રણાલી માટે

બાષ્પદબાણ એ બાષ્પ-પ્રાવસ્થામાંના ઘટકના મોલ-અંશના અનુપાતમાં હોવાથી આ પ્રાવસ્થાનું સંઘટન નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

આમ કોઈ એક ઘટક (દા.ત., B)ની બાષ્પ અને પ્રવાહીમાંનું સંકેન્દ્રણ નીચે પ્રમાણે થશે :

જો  હોય તો બાષ્પમાં Bનું સંકેન્દ્રણ વધુ હશે. જો  હોય તો તે ઓછું હશે.

વિભાગીય અથવા વિકલનીય (differential) નિસ્યંદન આ સિદ્ધાંત પર આધારિત છે. તેમાં અલગ અલગ નિસ્યંદનને બદલે એક જ સાધનમાં શ્રેણીબદ્ધ નિસ્યંદન થઈ શકે તેવી રચના કરવામાં આવે છે.

વિભાગીય નિસ્યંદનમાં આસવિત્ર(still)માં ઉત્પન્ન થયેલી બાષ્પને પ્રતિપ્રવાહ (countercurrent) અથવા સોપાની (stepwise) પ્રતિપ્રવાહ-પ્રણાલી દ્વારા સંઘનિત દ્રાવ(condensate)ના એક ભાગ સાથે સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે. આ માટે ઘાણ (batch) અથવા સતત (continuous) પ્રવિધિ વાપરી શકાય છે. આ માટેના સાધનમાં આસવિત્ર સાથે એક ઊભો સ્તંભ જોડેલો હોય છે.

વિભાગીય નિસ્યંદનની ઘાણ-પ્રણાલીમાં ઉપર તરફ જતી બાષ્પ અને નીચે આવતા પ્રવાહી વચ્ચે ઘનિષ્ઠ સંપર્ક થાય તે માટે સ્તંભને એક પ્રકારના પરિવેષ્ટન (packing) અથવા પ્લેટ-રચના (plate construction) વડે ભરવામાં આવે છે.

આથી બાષ્પ વધુ સપાટી પરથી પસાર થાય છે અને ઊંચા ઉત્કલનબિંદુવાળા પ્રવાહીની બાષ્પને ઠંડી થઈ પ્રવાહી બનવાની વધુ તક મળે છે. ઉપર ચઢતી બાષ્પ અને નીચે પાછા આવતા પ્રવાહી વચ્ચે જેમ સંપર્ક વધુ ગાઢ તેમ સ્તંભની ક્ષમતા વધુ હોય છે. સ્તંભના ઉપલા ભાગમાંથી બાષ્પને ઠારીને તેનો અમુક ભાગ નીપજ તરીકે બહાર કાઢવામાં આવે છે જ્યારે બાકીનું પ્રવાહી સ્તંભના મથાળે પાછું લઈ જવામાં આવે છે. આને પશ્ર્ચવાહ (reflux) કહેવામાં આવે છે. પ્રવાહી અને બાષ્પના વહનદરને એવી રીતે ગોઠવવામાં આવે છે કે જેથી સ્તંભમાં દરેક જગ્યાએ પ્રવાહીમાં વધુ બાષ્પશીલ ઘટકોની સાંદ્રતા તે બાષ્પ સાથે સંપર્કમાં હોય તેને અનુવર્તી સમતોલન કરતાં વધુ હોય. આને પરિણામે વધુ બાષ્પશીલ ઘટકો પ્રવાહીમાંથી બાષ્પમાં જાય છે; જ્યારે ઓછા બાષ્પશીલ ઘટકો ઊલટી દિશામાં પસાર થાય છે. આમ બાષ્પ ક્રમશ: બાષ્પશીલ ઘટકો વડે સમૃદ્ધ થઈ સંઘનિત્ર (condenser) તરફ જાય છે; જ્યારે નીચે આવતું પ્રવાહી ઓછા બાષ્પશીલ ઘટકો વડે સંકેન્દ્રિત થતું જાય છે. સાદા નિસ્યંદન કરતાં આવી પ્રણાલી વડે અલગીકરણ વધુ પ્રમાણમાં થાય છે અને તે સાપેક્ષ બાષ્પશીલતા, બે પ્રાવસ્થા વચ્ચે સ્થાનાંતરણની અસરકારકતા અને સ્તંભમાંના પ્રવાહી તથા બાષ્પના ગુણોત્તર પર આધાર રાખે છે. સંપર્કકારી પ્રયુક્તિની અસરકારકતા બાષ્પ અને પ્રવાહી વચ્ચે ઘટકોના ઝડપી વિનિમયની ક્ષમતા ઉપર આધાર રાખે છે. આ વિનિમય મુખ્યત્વે ઉત્પન્ન થતાં આંતરપૃષ્ઠીય (interfacial) ક્ષેત્રફળ અને બાષ્પ અને પ્રવાહીના વહનની લાક્ષણિકતાઓના ફલન (function) રૂપે હોય છે. ઘાણરૂપ વિભાગીય નિસ્યંદન માટેના સ્તંભમાં શિરોપરિ (overhead) નીપજના સંઘટનમાં સતત ફેરફાર થતો જાય છે અને જેમ પ્રચાલન આગળ વધે તેમ વધતા જતા ઉત્કલનબિંદુવાળા અંશો (fractions) મળતા જાય છે.

જ્યારે પદાર્થોના મોટા જથ્થાઓનું નિયમિત રીતે અલગન કરવાનું હોય ત્યારે ઘાણવિધિને બદલે પ્રણાલીને સાતત્યપૂર્ણ પાયા પર ચલાવવી આર્થિક રીતે વધુ પોષણક્ષમ બને છે.

આવી પ્રણાલીમાં જેનું અલગન કરવાનું હોય તે ભરણ (feed) સ્તંભમાં કોઈ એક જગ્યાએ સતત ઉમેરતા જવામાં આવે છે. બાષ્પને તળિયાના ભાગે દાખલ કરવામાં આવે છે, જ્યારે પશ્ર્ચવાહ(reflux)ને ટોચના ભાગે દાખલ કરવામાં આવે છે. તળિયેથી દાખલ કરવા માટેની બાષ્પ સામાન્ય રીતે સ્તંભમાંના પ્રવાહીના એક ભાગના બાષ્પીભવન વડે મેળવવામાં આવે છે. આવી પ્રણાલી દ્વારા ભરણમાંના વધુ બાષ્પશીલ ઘટકો ધરાવતી શિરોપરિ નીપજ જ્યારે ઓછા બાષ્પશીલ ઘટકોની ઊંચી સાંદ્રતા ધરાવતી અધસ્તલ (તળ, bottom) નીપજ મેળવી શકાય છે. આ રીતે ઊંચી માત્રાનું વિભાગીકરણ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. આ વિધિની અસરકારકતા નક્કી કરતા અવયવો (factors) ઘાણવિધિ જેવા જ છે. આ પ્રવિધિ માટેનું ભરણ પ્રવાહી અથવા બાષ્પ અથવા બંને હોઈ શકે છે. જે કિસ્સાઓમાં અધસ્તલ નીપજ વિશેષત: પાણી હોય (દા.ત., ઇથેનોલ-પાણીના મિશ્રણનું વિભાગીકરણ) ત્યાં સ્તંભ માટે પાણીની વરાળનો ઉપયોગ શક્ય છે. જે કિસ્સાઓમાં બધી શિરોપરિ બાષ્પનું ઠારણ મુશ્કેલ હોય (દા.ત., હાઇડ્રોજન કે મિથેન વાયુ ધરાવતા પેટ્રોલિયમ-અંશો) અથવા શિરોપરિ નીપજ બાષ્પ રૂપે મેળવવી હોય ત્યાં ફક્ત પશ્ર્ચવાહ માટે જરૂરી હોય તેટલા જ ભાગનું સંઘનન કરવામાં આવે છે.

સ્તંભમાં ગાઢ સંપર્ક માટે વિવિધ પ્રકારની અનેક સંપર્કકારી ગોઠવણી વપરાય છે. પ્રયોગશાળા અને નાના ઔદ્યોગિક એકમોમાં વપરાતા સ્તંભો 30થી 60 સેમી અથવા તેથી ઓછા વ્યાસના હોય છે. તેમાં સ્તંભના વ્યાસ કરતાં દસમા કે પચાસમા ભાગના આમાપ(size)ના ઘન પદાર્થો ભરવામાં આવે છે. તેમાં ધાતુ, કાચ, સિરેમિક કે કાર્બન જેવા પદાર્થોમાંથી બનાવેલ નાની વીંટીઓ, ગોળાઓ, તારના વીંટા અથવા વિશિષ્ટ આકાર અને ધાતુઓના છિદ્રિલ (perforated) ટુકડાઓ પરિવેષ્ટન તરીકે વપરાય છે. મોટા સ્તંભોમાં સામાન્ય રીતે વલયો (rings) અથવા વિશિષ્ટ આકારવાળા ટુકડાઓ ભરવામાં આવે છે. વધુ વ્યાસવાળા સ્તંભોમાં પરિવેષ્ટનને બદલે પટ્ટિકાઓની (plates) વ્યવસ્થા સસ્તી પડે છે. આવી પટ્ટિકાઓ છિદ્રિલ ચકતીઓ (disks), ખાસ પ્રકારની જાલ (grid) અથવા બુદ્બુદ ટોપી (bubble cap) જેવી જટિલ પ્રકારની પટ્ટિકાઓ રૂપે હોય છે. આવી પટ્ટિકાઓ પરિવેષ્ટનની માફક જ કાર્ય કરે છે પણ મોટાભાગનામાં અભિકલ્પન એવું કરવામાં આવે છે કે તેઓ પરપોટા ઉત્પન્ન કરવા જેવું કામ કરે; દા.ત., છિદ્રિલ પ્લેટનાં છિદ્રો ઉપર પ્રવાહી હોય છે, જેમાં થઈને પરપોટા રૂપે બાષ્પ ઉપર જાય છે. જ્યારે પ્રવાહી છિદ્રોમાંથી અથવા આ માટે ખાસ ગોઠવેલી નળીઓ અથવા નીકો વાટે નીચે આવે છે. મોટા વ્યાસવાળા સ્તંભો માટે પ્લેટ-રચના ઓછી ખર્ચાળ હોવા ઉપરાંત આંતરપ્રાવસ્થાકીય (interphase) સ્થાનાંતરણ માટે વધુ અસરકારક હોય છે.

પ્રભાજક (fractionating) સ્તંભોની ડિઝાઇન માટેની ગણતરીઓ સામાન્ય રીતે સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોના આધારે કરવામાં આવે છે. ઈ. સોરેલે આની વ્યાખ્યા આ પ્રમાણે કરી હતી : સૈદ્ધાંતિક પ્લેટ એટલે એક એવી પ્લેટ કે જેના પરથી બહાર આવતી બાષ્પનું સરેરાશ સંઘટન એ પ્લેટ પરથી આવતા પ્રવાહી સાથે સમતોલનમાં રહેલ બાષ્પના સંઘટન જેટલું હોય. આવી ડિઝાઇનમાં બે સીમાંત કિસ્સાઓ તેમજ ખરેખર સંજોગોની ગણતરી કરવી સામાન્ય રીતે ઇચ્છનીય છે. પ્રવાહી પશ્ર્ચવાહ અને શિરોપરિ નીપજનો ગુણોત્તર (પશ્ર્ચવાહ ગુણોત્તર  reflux ratio) જેમ વધારવામાં આવે તેમ સ્તંભની અસરકારકતા વધે છે. આ ગુણોત્તર જ્યારે ઘણો વધારે હોય ત્યારે ઓછામાં ઓછી સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોની જરૂર પડશે. આ સીમાને કુલ પશ્ર્ચવાહ (total reflux) કહે છે. બીજી સીમાએ નીચામાં નીચો પશ્ર્ચવાહ ગુણોત્તર છે. તે અનંત સંખ્યામાં લીધેલી સૈદ્ધાંતિક પ્લેટો દ્વારા ઇચ્છિત અલગન આપે છે. આને ન્યૂનતમ પશ્ર્ચવાહ ગુણોત્તર કહે છે. આ બંને સીમાઓ પરિમિત (finite) નીપજદર માટે અનંત કદના સ્તંભો જરૂરી બનાવતી હોઈ વ્યવહારુ ડિઝાઇન માટે યોગ્ય નથી; પણ તે કોઈ એક પ્રણાલી માટે સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોની ન્યૂનતમ સંખ્યા અને ન્યૂનતમ ઉષ્મા-વપરાશનું સૂચન કરે છે.

જેની સાપેક્ષ બાષ્પશીલતા અચળ હોય તેવી સ્થાયી સ્થિતિવાળી દ્વિઅંગી પ્રણાલી માટે એમ. આર. ફિન્સ્કેએ રિબૉઇલર અને પશ્ર્ચવાહ તથા નિસ્યંદિત નીપજ સાથે કાર્ય કરતા (અને તેમની વચ્ચે અલગન ન કરતા) સ્તંભ માટે કુલ પશ્ર્ચવાહે સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોની સંખ્યા માટે નીચેનું સમીકરણ રજૂ કર્યું છે :

જ્યાં N સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોની સંખ્યા; x_a અને x_b અનુક્રમે A અને Bના મોલ-અંશ જ્યારે D અને B એ અનુક્રમે શિરોપરિ અને તલ-પેદાશો સૂચવે છે; α_ab એ A અને Bની સાપેક્ષ બાષ્પશીલતા દર્શાવે છે. દ્વિઅંગી પ્રણાલીઓ માટે પશ્ર્ચવાહ ગુણોત્તરના ફલન તરીકે તેમજ કુલ પશ્ર્ચવાહ અને ન્યૂનતમ પશ્ર્ચવાહ ગુણોત્તર માટે જરૂરી સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોની સંખ્યા નક્કી કરવા માટે ઘણી આલેખીય (graphical) અને વૈશ્લેષિક (analytical) પદ્ધતિઓ સૂચવવામાં આવી છે. દ્વિઅંગી પ્રણાલીઓ કરતાં બહુઘટકીય મિશ્રણોનો અભ્યાસ વધુ જટિલ છે.

પ્લેટ–ક્ષમતા (plate efficiency) : વાસ્તવિક પ્લેટ અને સૈદ્ધાંતિક પ્લેટની કાર્યક્ષમતા વચ્ચેનો સંબંધ દર્શાવવા આ પદ(term)નો ઉપયોગ થાય છે. પ્લેટ-ક્ષમતા માટે ઘણી વ્યાખ્યાઓ આપવામાં આવી છે, પણ વાપરવા માટે સાદામાં સાદી એ સમગ્રતયા (overall) સ્તંભ-ક્ષમતાની છે જે કોઈ એક અલગન માટે જરૂરી સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોની સંખ્યા અને વાસ્તવિક રીતે જરૂરી પ્લેટોની સંખ્યાનો ગુણોત્તર છે. આ પ્લેટ-ક્ષમતા મુખ્યત્વે જેનું અલગીકરણ કરવામાં આવતું હોય તે મિશ્રણની લાક્ષણિકતા અને થોડે અંશે પ્લેટની ડિઝાઇન ઉપર આધાર રાખે છે. અહીં પ્રવાહીની સાપેક્ષ બાષ્પશીલતા અને તેની શ્યાનતા એ અત્યંત મહત્વની લાક્ષણિકતાઓ છે.

પરિવેષ્ટન અને અન્ય સંપર્કનપદ્ધતિઓ છિદ્રિલ અને બુદ્બુદ ટોપી પ્લેટો વડે મળતી ચોક્કસ સોપાની ગોઠવણી આપતી નથી. પણ સૈદ્ધાંતિક પ્લેટોના પાયા ઉપર આધારિત વિશ્લેષણ સરળ હોઈ તે વારંવાર ઉપયોગમાં લેવાય છે. અહીં સૈદ્ધાંતિક પ્લેટ વડે મળતા અલગનને સમતુલ્ય અલગન આપે તેટલી (પરિવેષ્ટનની) ઊંચાઈ વપરાય છે. આને સૈદ્ધાંતિક પ્લેટને સમતુલ્ય ઊંચાઈ (H.E.T.P. – height equivalent of a theoretical plate) કહે છે. ડિઝાઇનની વિકલ્પી પદ્ધતિમાં સ્થાનાંતરણ એકમોની સંખ્યા (N.T.U. – number of transfer units) અને સ્થાનાંતરણ એકમની ઊંચાઈ (H.T.U. – height of a transfer unit)નો ઉપયોગ થાય છે.

ઘટકોની સાપેક્ષ બાષ્પશીલતા 1.0 થવા જાય ત્યારે નજીક-નજીક ઉ. બિં. ધરાવતા ઘટકો અથવા સ્થિરક્વાથી (azeotropic) સંઘટનની નજીકનાં મિશ્રણો માટે વિભાગીય નિસ્યંદન વડે અલગન મુશ્કેલ બને છે અને તેવે વખતે મોટાં સાધનો અને ઉષ્માનો વધુ વપરાશ જરૂરી બને છે. આવા કિસ્સાઓમાં જુદાં જુદાં કુલ દબાણ વાપરીને સાપેક્ષ બાષ્પશીલતા બદલી શકાય છે પણ તે બહુ અસરકારક નથી. આવે વખતે પ્રવાહી પ્રાવસ્થામાં એક એવો અન્ય ઘટક ઉમેરવાની તકનીક સામાન્ય રીતે વાપરવામાં આવે છે, જે બાષ્પશીલતામાં એવો ફેરફાર કરે છે કે જેથી ઇચ્છિત ઘટકોનું અલગીકરણ આર્થિક દૃષ્ટિએ સસ્તું પડે છે. ઉમેરવામાં આવેલ ઘટકની લાક્ષણિકતાઓ ઉપર આધારિત આ તકનીકને સ્થિરકવાથી નિસ્યંદન અથવા નિષ્કર્ષી (extractive) નિસ્યંદન કહે છે.

પ્રહલાદભાઈ બે. પટેલ