आसवन मिश्रणों को कैसे अलग करता है

आसवन सबसे पुरानी बड़े पैमाने की पृथक्करण प्रक्रिया है जो आज भी रोज़ उद्योग में चलती है, और यह एक सीधी-सी बात पर टिकी है: तरल पदार्थों के मिश्रण में जो आसानी से उबलता है वह वाष्प बनकर पहले निकलता है। उस वाष्प को ठंडा कर लीजिए और आपके पास वह तरल है जिसमें वह घटक शुरुआती मिश्रण से ज़्यादा है। बाक़ी सब — रिफ़ाइनरी की दस मंज़िल ऊँची मीनारें, रिफ़्लक्स ड्रम, भीतर की ट्रे — उसी एक विचार पर खड़ी इंजीनियरिंग है।

पूरा खेल वाष्पशीलता का है

हर तरल में वाष्प बनकर उड़ने की प्रवृत्ति होती है, और किसी दिए तापमान पर कुछ तरल यह दूसरों से कहीं ज़्यादा आसानी से करते हैं। केमिकल इंजीनियर इसे वाष्पशीलता कहते हैं, और यह आम तौर पर क्वथनांक के साथ चलती है: क्वथनांक जितना कम, पदार्थ उतना ही ज़्यादा वाष्पशील।

मिश्रण को गर्म कीजिए तो उसके ऊपर की वाष्प की संरचना नीचे के तरल जैसी नहीं होती — उसमें ज़्यादा वाष्पशील घटक बढ़ा हुआ होता है। उस वाष्प को संघनित कर लेने का मतलब है पृथक्करण का एक चरण पूरा। पर एक चरण से शायद ही शुद्ध उत्पाद मिलता है। अगर दो घटकों के क्वथनांक पास-पास हों, तो एक बार में शुद्धता में मुश्किल से कोई सुधार आता है — इसीलिए औद्योगिक आसवन इस क़दम को बार-बार दोहराता है।

साधारण फ़्लास्क से प्रभाजी स्तंभ तक

• सरल आसवन एक ही उबाल-और-संघनन चक्र है। यह तब अच्छा काम करता है जब घटकों के क्वथनांक में बड़ा फ़र्क़ हो — जैसे घुले ठोस से विलायक अलग करना, या आसुत जल बनाना।
• प्रभाजी आसवन कई चरणों को एक खड़े स्तंभ के भीतर एक के ऊपर एक रख देता है। वाष्प ट्रे या पैकिंग से होकर ऊपर उठती है जबकि संघनित तरल वापस नीचे बहता है, और हर स्तर पर दोनों के बीच ऊष्मा व पदार्थ का आदान-प्रदान होता है। हर संपर्क एक छोटे आसवन जैसा व्यवहार करता है, इसलिए एक ऊँचा स्तंभ वह पृथक्करण कर लेता है जिसके लिए दर्जनों अलग फ़्लास्क चाहिए होते।

ऊपर से निकले संघनित उत्पाद का एक हिस्सा जान-बूझकर रिफ़्लक्स के रूप में स्तंभ के शीर्ष पर लौटाया जाता है — यही नीचे उतरता तरल बार-बार के संपर्क को संभव बनाता है, और इसे घटाना-बढ़ाना उत्पाद की शुद्धता पर ऑपरेटर के मुख्य नियंत्रणों में से एक है। पेट्रोलियम रिफ़ाइनरी में एक ही क्रूड स्तंभ अलग-अलग ऊँचाइयों से अलग प्रभाज निकालता है: ऊपर की ओर हल्की गैसें और पेट्रोल, बीच में केरोसिन व डीज़ल, तल पर भारी अवशेष।

दो रूप इस तरीक़े की पहुँच और बढ़ा देते हैं। निर्वात आसवन दाब घटा देता है ताकि ऊष्मा-संवेदी या बहुत भारी पदार्थ ऐसे तापमान पर उबलें जिन पर वे टूटें नहीं, और भाप आसवन सुगंधित तेलों जैसे नाज़ुक यौगिकों को कम तापमान पर साथ ले आता है।

आसवन स्तंभ एक पृथक्करण नहीं है — यह वही छोटा पृथक्करण सैकड़ों बार दोहराया गया है, खड़ा करके जमाया हुआ, और ऊष्मा से चुकाया हुआ।

जब आसवन हार जाए: एज़ियोट्रोप

कुछ मिश्रण ऐसी संरचना तक पहुँच जाते हैं जहाँ वाष्प और तरल की बनावट बिल्कुल एक जैसी हो जाती है। उस बिंदु पर उबालने से शुद्धता बढ़नी बंद हो जाती है, और साधारण आसवन आगे नहीं जा सकता। ऐसे मिश्रण को एज़ियोट्रोप कहते हैं — सबसे जाना-पहचाना उदाहरण एथेनॉल और पानी, जो क़रीब 95% एथेनॉल पर अटक जाता है। इससे आगे बढ़ने के लिए दूसरा रास्ता चाहिए: तीसरा घटक जोड़ना, मॉलिक्युलर सीव इस्तेमाल करना, या प्रेशर-स्विंग आसवन।

आसवन ऊर्जा भी ख़ूब माँगता है, क्योंकि यह बार-बार उबालने और संघनित करने से ही चलता है। यही लागत वजह है कि ऊष्मा एकीकरण, बेहतर स्तंभ डिज़ाइन और झिल्ली-पृथक्करण जैसे विकल्पों पर इतना शोध होता है।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

आसवन आदर्श यूनिट ऑपरेशन है — वह विचार कि जटिल रासायनिक संयंत्र गिने-चुने मानक हिस्सों से जोड़कर बनते हैं — और इसमें महारत का मतलब है वाष्प–द्रव संतुलन, द्रव्यमान व ऊर्जा संतुलन, और प्रक्रिया नियंत्रण तीनों एक साथ साधना। यह उद्योग की कार्बन-मुक्ति की समस्या के भी ठीक बीच में है, क्योंकि रासायनिक क्षेत्र की ऊर्जा खपत का बड़ा हिस्सा पृथक्करण में जाता है। पीयर-रिव्यूड साहित्य का अनुसरण करके ही केमिकल इंजीनियरिंग के छात्र और पेशेवर ऊर्जा-कुशल स्तंभों, हाइब्रिड पृथक्करण और प्रोसेस इंटेंसिफ़िकेशन पर हो रहे काम के साथ क़दम मिलाते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

आसवन कैसे काम करता है?

आसवन तरल मिश्रण को गर्म करता है ताकि ज़्यादा वाष्पशील घटक पहले वाष्प बने। वह वाष्प, जिसमें अब उस घटक की मात्रा ज़्यादा है, फिर से तरल में संघनित की जाती है। इस आदान-प्रदान को कई बार दोहराने से — जैसा प्रभाजी स्तंभ के भीतर होता है — काफ़ी शुद्ध उत्पाद मिलता है।

सरल और प्रभाजी आसवन में क्या अंतर है?

सरल आसवन एक ही वाष्पन-और-संघनन चरण है और उन मिश्रणों के लिए ठीक है जिनके क्वथनांक दूर-दूर हों। प्रभाजी आसवन पैकिंग या ट्रे वाले स्तंभ से एक ही बार में ऐसे कई चरण कर लेता है, इसलिए यह पास-पास क्वथनांक वाले घटक भी अलग कर सकता है।

एज़ियोट्रोप क्या है?

एज़ियोट्रोप वह मिश्रण है जिसकी वाष्प की संरचना उसके तरल जैसी ही होती है, इसलिए उबालने से घटकों का अनुपात नहीं बदलता। एथेनॉल और पानी क़रीब 95% एथेनॉल पर ऐसा ही बनाते हैं, यही वजह है कि साधारण आसवन से पूरी तरह निर्जल अल्कोहल नहीं मिलता।

उद्योग में आसवन कहाँ इस्तेमाल होता है?

यह पेट्रोलियम रिफ़ाइनिंग में कच्चे तेल को पेट्रोल, केरोसिन व डीज़ल में बाँटने, औद्योगिक विलायक व अल्कोहल बनाने, ऑक्सीजन व नाइट्रोजन के लिए वायु पृथक्करण, दवा व सूक्ष्म-रसायन शुद्धिकरण, और विलवणीकरण व आसुत जल उत्पादन में इस्तेमाल होता है।