ऊर्ध्वपातन

अनेक द्रव घटकांचे मिश्रण तापवून उत्पन्न होणारे बाष्पमिश्रण पुन्हा थंड करून मूळ द्रव घटक वेगळे करण्याच्या प्रक्रियेस ऊर्ध्वपातन म्हणतात. ज्या द्रव घटकांच्या उकळबिंदूंमध्ये (द्रव उकळत असताना स्थिर रहाणाऱ्या तपमानामध्ये) बरेच अंतर असते अशाच घटकांचे ऊर्ध्वपातन करून त्यांना वेगळे करता येते. या पद्धतीने गुलाबाच्या फुलातील सुगंधी द्रव्य मिळविता येते, मद्यार्क (अल्कोहॉले) तयार करता येतात, सांडपाण्यापासून शुद्ध पाणी मिळवता येते व खनिज तेलापासून पेट्रोल मिळवता येते. औद्योगिक क्षेत्रात ही प्रक्रिया अनेक ठिकाणी उपयोगी पडते. लहान प्रमाणात करावयाचे ऊर्ध्वपातन गट पद्धतीने करतात.

आ. १. साधी ऊर्ध्वपातन पद्धत - (१) बॉयलर, (२) बाष्प नलिका, (३) संघनक, (४) ऊर्ध्वपातित द्रव साठविण्याचे भांडे.

ही पद्धत आ. १ मध्ये दाखविली आहे. यामध्ये एखाद्या हंड्यासारख्या भांड्यात, पाण्यात कालविलेले घन पदार्थाचे घटक भरतात व ते भांडे शेगडीवर ठेवून मंद आगीने तापवतात. भांड्यातील पाणी तापून वाफ उत्पन्न होते व पाण्यात कालविलेल्या घटकांतील सहज बाष्पनशील (बाष्प होऊन उडून जाणारे) घटक बाहेर पडून वाफेत मिसळतात. ही वाफ भांड्याच्या तोंडावर बसवलेल्या नळीवाटे एका संघनकात (वाफ थंड करण्यासाठी वापरलेल्या भांड्यात) जाते. तेथे थंड पाण्याने वाफ थंड होऊन द्रवरूप होते व संघनकाच्या खाली बसवलेल्या टाकीत साठते. भांड्यामध्ये सुगंधी द्रव्ये असल्यास ती बाष्परूपाने वाफेबरोबर बाहेर जातात व पुन्हा द्रवरूप घेऊन ऊर्ध्वपातित पाण्यावर तरंगतात. तेलासारखी हलकी द्रव्ये पाण्यातून सहज वेगळी काढता येतात.

आ. २. विभाजक स्तंभ जोडलेले गटागटाने काम करणारे ऊर्ध्वपातन यंत्र - (१) संघनक, (२) पुनर्भरण, (३) उत्पादन, (४) द्रव, (५) द्रवमिश्रण उकळण्याचे भांडे, (६) बाष्प, (७) तापक.

विभाजक ऊर्ध्वपातन : दोन द्रवांच्या मिश्रणातील घटक वेगळे करण्याकरिता औद्योगिक क्षेत्रात जी सुधारलेली पद्धत वापरतात तिला विभाजक ऊर्ध्वपातन म्हणतात. ही पद्धत अंशतः, अंशात्मक, भागशः किंवा भागात्मक ऊर्ध्वपातन ह्या नावांनीही ओळखली जाते. या पद्धतीने ऊर्ध्वपातन करण्यासाठी मूळ घटकांच्या उकळबिंदूंमध्ये बरेच अंतर असावे लागते. या पद्धतीकरिता आ. १ मधील उपकरणांशिवाय विभाजक स्तंभ (एकावर एक रचलेली भांडी, पत्रे इत्यादींनी युक्त असा स्तंभ) हे जादा उपकरण वापरावे लागते. विभाजक स्तंभाची रचना आ. २ मध्ये दाखविली आहे.

या स्तंभातील प्रत्येक पात्राच्या तळावर धुराड्यासारखी अनेक तोंडे ठेवलेली असतात. प्रत्येक पात्रातील द्रवाची पातळी एका ठराविक उंचीपर्यंत राहते. या द्रवामध्ये धुराड्याचे तोंड पूर्ण बुडलेले असते. खालच्या पात्रातून वर येणारे बाष्प धुराड्यातून वर येते. व द्रवामधून जाऊन द्रवपृष्ठाच्या वर जाते. या वेळी बाष्पमिश्रणातील वरच्या उकळबिंदूचा घटक थंड होऊन द्रवरूप घेतो व पात्रातील द्रवात मिसळतो आणि द्रवातील खालच्या उकळबिंदूच्या घटक तापून बाष्परूप घेतो व वर जाणाऱ्या बाष्पमिश्रणात मिसळतो. अशा रीतीने अनेक पात्रांमध्ये क्रिया घडत जाऊन संघनकात येणारे बाष्प फक्त खालच्या उकळबिंदूच्या घटकाचे असते. हे बाष्प संघनकात थंड केल्यावर जो द्रव घटक मिळतो, त्यापैकी काही भाग बाहेर काढतात व बाकीचा भाग सर्वांत वरच्या पात्रात परत पाठवितात. परत पाठविलेल्या भागाला पुनर्भरण म्हणतात व बाहेर काढलेल्या भागाला उत्पादन म्हणतात. पुनर्भरण राशी आणि उत्पादन राशी यांच्या गुणोत्तराला पुनर्भरणाचे गुणोत्तर म्हणतात. खालच्या उकळबिंदूच्या घटकास अ म्हटले व वरच्या उकळबिंदूच्या घटकास आ म्हटले, तर मूळ द्रवमिश्रणाचे बाष्पीभवन व पुनर्भरणाचे गुणोत्तर नियंत्रित करून वरच्या पात्रातील द्रवातील अ चे प्रमाण खालच्या पात्रातील त्याच्या प्रमाणापेक्षा जास्त राखता येते.

उघड्या भांड्यात ठेवलेल्या द्रवास उष्णता पुरविली, तर त्याचे तपमान व बाष्पदाब वाढत जातात. बाष्पदाब आसमंतातील हवेच्या दाबाइतका झाला म्हणजे द्रव उकळू लागतो. यानंतर अधिक उष्णता देत राहिले, तरी द्रवाचे तपमान वाढत नाही पण द्रव उकळण्याचा वेग वाढतो. या वेळी स्थिर झालेल्या तपमानाला त्या द्रवाचा उकळबिंदू म्हणतात. एक ग्रॅम द्रवाचे बाष्परूपात - तपमानात बदल होऊ न देता - परिवर्तन करण्यासाठी जी उष्णता खर्च होते, तिला बाष्पीभवनाची सुप्त उष्णता म्हणतात. बाष्पाचे त्याच तपमानावर द्रवामध्ये रूपांतर करावयाचे असले, तर बाष्पातील सुप्त उष्णता पाण्यासारख्या शीतक द्रव्यामार्फत काढून घ्यावी लागते. ऊर्ध्वपातनाची क्रिया वेगाने होण्याकरिता द्रवाचे तपमान उकळबिंदूपर्यंत वाढवावे लागते.

दोन द्रव घटकांच्या मिश्रणाचे विभाजन त्यांच्या उकळबिंदूंमधील अंतराप्रमाणे कमीअधिक सुलभ होते. दोन्ही घटकांचा उकळबिंदू समान असेल तर ऊर्ध्वपातनाने त्यांचे विभाजन करता येत नाही. शुद्ध द्रवाचा उकळबिंदूठराविक दाबाखाली स्थिर असतो व हे तपमान कायम असेपर्यंत तो द्रव शुद्ध बाष्पाच्या रूपाने बाहेर येतो. या लक्षणावरच विभाजक ऊर्ध्वपातनाची उपपत्ती आधारलेली आहे.

अ आणि आ अशा दोन घटकांच्या बाष्पदाबांची बेरीज हवेच्या दाबाइतकी होते त्या वेळच्या तपमानास या घटकांचे मिश्रण उकळू लागते. द्रवमिश्रणातील घटकांच्या प्रमाणाशी बाष्पमिश्रणातील घटकांच्या प्रमाणाचा विशेष संबंध नसतो. बाष्पमिश्रणातील घटकांचे प्रमाण प्रत्येक घटकाचा बाष्पदाब व रेणुभार यांच्या गुणोत्तराच्या प्रमाणात असते.

आ. ३. नमुनेदार उकळबंदू आलेख (कायम दाब) : तअ - अ चा उकळबिंदू, तआ - आ चा उकळबिंदू

बाष्प-द्रव समतोल : दिलेल्या द्रवमिश्रणात अ आणि आ असे दोन घटक असून त्यांपैकी अ चा उकळबिंदू आ पेक्षा कमी असेल, तर कायम दाब असलेल्या परिस्थितीत त्या मिश्रणाचा उकळबिंदू आलेख आ. ३ मध्ये दाखविला आहे. त्यामध्ये दोन (आलेख) वक्र आहेत. ते दोन्ही टोकांजवळ एकमेकांस मिळतात. वरच्या वक्रातील र सारखा कोणताही बिंदू घेतला तर त्यावरून अ चे प्रमाण ६o% असलेले बाष्पमिश्रण त१ या तपमानावर गोठण्यास प्रारंभ होईल व त्यामुळे उत्पन्न होणाऱ्या द्रवमिश्रणात अ चे प्रमाण क्ष टक्के असेल. त्याचप्रमाणे खालच्या वक्रातील य सारखा कोणताही बिंदू घेतला तर त्यावरून अ चे प्रमाण क्ष टक्के असलेले द्रवमिश्रण त१ या तपमानावर उकळण्यास सुरुवात होईल व त्यापासून मिळणाऱ्या बाष्पमिश्रणात अ चे प्रमाण ६० टक्के असेल. एकाच आडव्या रेघेवर असलेले य आणि र सारखे दोन बिंदू त्या रेषेने दाखविलेल्या त१ तपमानावर द्रवमिश्रणाचा व बाष्पमिश्रणाचा समतोल दाखवितात. वरच्या वक्राच्या वरच्या बाजूस असलेल्या ट सारख्या बिंदूजवळ अ आणि आ यांचे मिश्रण पूर्णपणे बाष्परूप असते. खालच्या वक्राच्या खालील बाजूस असलेल्या ठ सारख्या बिंदूजवळ हे मिश्रण पूर्णपणे द्रवरूप असते व दोन्ही

आ. ४. द्रवमिश्रण – बाष्णमिश्रण समतोल आलेख

वक्रांच्या मधल्या भागातील ड सारख्या बिंदूजवळ मिश्रणाचा काही भाग बाष्परूप असतो व बाकीचा भाग द्रवरूप असतो.

अ चे प्रमाण क्ष टक्के असलेले द्रवमिश्रण हळूहळू तापविले, तर त१ या तपमानावर ते उकळू लागेल. त्यापासून उत्पन्न होणाऱ्या सुरुवातीच्या बाष्पमध्ये वक्रावरील र या बिंदूने दाखविल्याप्रमाणे अ चे प्रमाण ६० टक्के असेल. बाष्पामध्ये अ चे प्रमाण जास्त असल्याने काही वेळाने बरेच बाष्प तयार झाल्यावर उरलेल्या द्रवामध्ये अ चे प्रमाण कमी होऊ लागते व खालच्या वक्रावरचा य बिंदू डावीकडे सरकतो. त्यावरून द्रवमिश्रणाचा उकळबिंदू घटकांच्या प्रमाणाप्रमाणे अ च्या उकळबिंदूपासून आ च्या उकळबिंदूपर्यंत चढत जातो असे दिसते.

आकृती ४ मध्ये दाखविलेला द्रवमिश्रण-बाष्पमिश्रण समतोल आलेख आ. ३ मधील परिस्थितीकरिता काढलेला आहे. यावरून अ चे प्रमाण क्ष१ टक्के असलेले द्रवमिश्रण उकळबिंदूजवळ अ चे प्रमाण य१ टक्के असलेल्या बाष्पमिश्रणाशी समतोल असते असे दिसून येते. आ. ३ व ४ मधील आलेखांवरून अ चे बाष्पातील प्रमाण द्रवातील प्रमाणापेक्षा अधिक असते असे दिसून येईल. अशा द्रवमिश्रणाचे ऊर्ध्वपातन करताना मिळणाऱ्या द्रवाचे एकामागून एक तयार होणारे नमुने वेगळे ठेवून तपासले, तर पहिल्या नमुन्यात अ चे प्रमाण सर्वात जास्त असते व नंतर ते क्रमाक्रमाने कमी होत जाऊन शेवटच्या भागात मूळ द्रवातील प्रमाणापेक्षा पुष्कळच कमी झालेले आढळून येते. अशा रीतीने सुरुवातीला मिळणाऱ्या ऊर्ध्वपातित द्रवाचे अनेक वेळा ऊर्ध्वपातन केले, तर शुद्ध अ घटक मिळवता येतो. परंतु द्रवमिश्रणातील अ घटक आ पासून अगदी वेगळा करता येत नाही.

विभाजक स्तंभ : आ. २ मधील विभाजक स्तंभातील पात्रामध्ये होणारी बाष्प-द्रवमिश्रणाची क्रिया स्तंभामध्ये अंतराअंतरावर पत्र्यांच्या जाळ्या बसवून अथवा स्तंभामध्ये आकाराच्या मानाने मोठा पृष्ठभाग असलेले घन पदार्थ भरून साधता येते. विभाजन करावयाच्या मिश्रणाचा साठा स्तंभाच्या आकाराच्या मानाने मर्यादित असेल व एकच स्तंभ वेगवेगळ्या मिश्रणांसाठी वापरावयाचा असेल, तेव्हा आ. २ मध्ये दाखविलेले साहित्य वापरतात. या पद्धतीत द्रवमिश्रणाचा साठा सर्वांत खालच्या पात्रात भरतात व तो वाफेने किंवा विद्युत् प्रवाहाने तापवितात. ही तापन क्रिया नियंत्रित करून वरच्या पात्रातून संघनकाकडे जाणाऱ्या बाष्पाचे तपमान कमी उकळबिंदू असलेल्या अ च्या उकळबिंदू इतके कायम ठेवतात. खालच्या पात्रामध्ये आ घटकाचे प्रमाण वाढत जाईल त्या प्रमाणात वरच्या पात्रात परत घालण्याच्या अ घटकाच्या पुनर्भरणाचे प्रमाण वाढवीत जावे लागते.

आ. ५. सतत चालणारे ऊर्ध्वपातन यंत्र : (१) उष्णता विनिमयक, (२) खालचे उत्पादन, (३) वाफ, (४) द्रव, (५) बाष्प, (६) विभागातील तळ, (७) मुख्य भरण, (८) विभाजक स्तंभ, (९) पुनर्भरण, (१०) वरचे उत्पादन, (११) दाब नियंत्रक, (१२) संघनक.

ज्या ठिकाणी नेहमी एकाच प्रकारच्या द्रमिश्रणाचे ऊर्ध्वपातन करावयाचे असते व द्रवराशी मोठी असते तेथे थोड्या वेगळ्या पद्धतीचा स्तंभ वापरतात. ही पद्धत आ. ५ मध्ये दाखविली आहे. या पद्धतीत विभाजन करावयाचे मिश्रण स्वतंत्र भांड्यात तापवून त्याचे तपमान उकळबिंदूपर्यंत आणतात व ते मिश्रण स्तंभातील मधल्या भागातील योग्य अशा पात्रात सोडतात. स्तंभातील मिश्रणात अ चे प्रमाण स्थलसापेक्ष असल्याने ज्या पात्रातील द्रवामध्ये अ चे प्रमाण विमाजन करावयाच्या मिश्रणातील अ च्या प्रमाणाशी जुळते, त्या पात्रामध्ये विभाजन करावयाचे मिश्रण सोडतात. विभाजन करावयाच्या मिश्रणातील अ चे प्रमाण कायम असेपर्यंत एकच पुनर्भरण प्रमाण कायम ठेवल्याने स्तंभातील वरच्या बाजूने अ व खालच्या बाजूने आ घटक बाहेर पडतात. पेट्रोल शुद्धीकरणाच्या कारखान्यात या पद्धतीने वर्षानुवर्षे सतत विभाजन चालू असते.

ऊर्ध्वपातनाच्या इतर पद्धती : वरील दोन्ही प्रकारची विभाजने वातावरणीय दाबापेक्षा कमी अथवा अधिक दाबाखाली करता येतात. काही पदार्थांचे त्यांच्या उकळबिंदूजवळ विघटन (घटक द्रव्ये वेगळी होणे) होते. अशा वेळी दाब कमी करून म्हणजेच कमी तपमानात ऊर्ध्वपातन करून ते शुद्ध स्वरूपात मिळवता येतात. नेहमीच्या तपमानात व वातावरणीय दाबाखाली वायुरूप असलेले पदार्थ द्रवरूप करून त्यांचे विभाजन करता येते. या पद्धतीने हवेचे द्रवात रूपांतर करून त्यापासून ऑक्सिजन व नायट्रोजन वायू वेगळे करता येतात. ही क्रिया औद्योगिक क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरतात.

ज्या द्रवांच्या उकळबिंदूंमध्ये फारसा फरक नसतो अथवा ज्या द्रवमिश्रणांचे ऊर्ध्वपातन साध्या पद्धतीने करता येत नाही, त्या मिश्रणात एखादा तिसरा मदतनीस घटक मिसळतात. हा तिसरा घटक मूळ घटकातील एकाबरोबर मिसळतो आणि त्या मिश्रणाचा उकळबिंदू दुसऱ्या एकट्या घटकाच्या उकळबिंदूपेक्षा बराच दूर जातो आणि तो एकटा घटक ऊर्ध्वपातनाने वेगळा करता येतो. ही पद्धत संतत ऊर्ध्वपातनाकरिता योग्य असते. या पद्धतीने बेंझीन व सायक्लोहेक्झेन यांच्या मिश्रणातील घटक फिनॉल हा तिसरा घटक मिसळून वेगळे करता येतात. या पद्धतीला ‘निष्कर्षक ऊर्ध्यपातन’ म्हणतात. काही पदार्थ वातावरणीय दाबाखाली उघड्या भांड्यात तापविले तर त्यांचे विघटन होते. ते टाळण्याकरिता कमी दाबाखाली बंदिस्त भांड्यात त्यांचे ऊर्ध्वपातन करावे लागते. काही पदार्थांचे मुद्दाम विघटन करून त्यांतील घटक वेगळे करतात. दगडी कोळसा तापवून त्यापासून डांबर, फिनॉल, बेंझीन असे अनेक घटक मिळवता येतात. या पद्धतीला ‘विघटनी किंवा भंजक ऊर्ध्वपातन’ म्हणतात. लाकडाच्या भंजक ऊर्ध्वपातनानेही अनेक पदार्थ मिळवता येतात. काही पदार्थांचे ऊर्ध्वपातन करताना विघटन होऊ नये म्हणून त्यावरचा दाब पुष्कळच कमी करावा लागतो, परंतु ते फार खर्चाचे होते. ऊर्ध्वपातित करावयाचा द्रव पाण्यामध्ये न मिसळणारा व पाण्याशी रासायनिक विक्रिया न होणारा असल्यास तो तापविण्यासाठी त्यातून वाफ जाऊ देतात. वाफेचे पाण्यात रूपांतर होऊन त्याचा थर तयार होतो व द्रवाचे बाष्पीभवन होते. काही वेळा पाणीच द्रवामध्ये घालून नेहमीप्रमाणे तापविण्याची क्रिया करतात. कडू बदामाचे तेल (बेंझाल्डिहाइड) शुद्ध करण्यासाठी त्यात पाणी घालून व तापवून किंवा त्यातून वाफ जाऊ देऊन ऊर्ध्वपातन करतात. या पद्धतीत उकळबिंदूपेक्षा कमी तपमानास ऊर्ध्वपातन होते व जास्त तापण्यामुळे आणि विघटनामुळे होणारे नुकसान टळते. ही पद्धती ‘वाफयुक्त ऊर्ध्वपातन’ या नावाने ओळखली जाते. पाण्याऐवजी इतर द्रवही वापरता येतात. उदा., निळीचे शुद्धीकरण करण्यासाठी तिचे केरोसिनाबरोबर ऊर्ध्वपातन करतात.

आ. ६. रेणवीय ऊर्ध्वपातन - (१) तापक विद्युत् प्रवाह (२) ऊर्ध्वपातित द्रव्य, (३) द्रवमिश्रण, (४) संघनक, (५) निर्वात पंप.

रेणवीय ऊर्ध्वपातन : रासायनिक तंत्रविद्येत जशी प्रगती होत गेली तशी मोठा रेणुभार असलेल्या पदार्थांचे शुद्धीकरण करण्याची गरज वाढत चालली. अशा पदार्थांचा बाष्पदाब फार कमी असतो, त्यामुळे अधिक तपमानात त्यांचे विघटन होते. म्हणून त्यांचे ऊर्ध्वपातन करताना अत्युच्च निर्वात स्थिती म्हणजे १–५ मायक्रॉन (१ मायक्रॉन = १o-३ मिमी.) दाब ठेवावा लागतो. या क्रियेत द्रवमिश्रण उकळताना भांड्यातील बाष्पाचे काही रेणू एकमेकांवर आदळतात व द्रवात पडतात. वायूवरचा दाब जितका कमी करावा तितके रेणूंचे एकमेकांवर आदळणे कमी होते व ऊर्ध्वपातन सुलभ होते. मोठ्या रेणुभाराच्या पदार्थांचे ऊर्ध्वपातन करण्यासाठी खास प्रकारचा निर्वात पंप वापरावा लागतो. या वेळी मिश्रण शक्य तितक्या मोठ्या पृष्ठभागावर पसरून ठेवतात. त्याची जाडी शक्य तितकी कमी ठेवतात व संघनकाचा पृष्ठभाग उकळणाऱ्या द्रव मिश्रणाच्या अगदी जवळ ठेवतात. प्रयोगशाळेत वापरीत असलेल्या रेणवीय ऊर्ध्वपातनाचे एक उपकरण आ. ६ मध्ये दाखविले आहे. या पद्धतीत द्रवावरील दाब अगदी कमी असल्याने द्रवाचे तपमान अगदी कमी ठेवता येते. त्यामुळे नाजूक पदार्थांचे घटक बिघडत नाहीत. या पद्धतीने कॉड माशाच्या यकृतातून तेल व कित्येक वनस्पती तेलांतून अ आणि ई सारखी जीवनसत्त्वे वेगळी काढता येतात.

उपकरणे : सामान्य रसायनांचा काचेवर काहीही परिणाम होत नाही म्हणून प्रयोगशाळेत ऊर्ध्यपातनाकरिता काचेचीच उपकरणे वापरतात. अशी उपकरणे सहज स्वच्छ करता येतात व एकच उपकरण निरनिराळ्या मिश्रणांकरिता वापरता येते. औद्योगिक क्षेत्रात निष्कलंक पोलाद (स्टेनलेस स्टील) किंवा इतर धातूंची उपकरणे वापरतात व जरूर असल्यास धातूच्या भांड्यांना आतल्या बाजूवर काचेचा थर बसवतात.

प्रयोगशाळेत उष्णता देण्याकरिता वायू जाळणारा तापक (ज्वालक) वापरतात किंवा विद्युत् प्रवाहावर तापणारी शेगडी वापरतात. औद्योगिक क्षेत्रात साधारणत: बॉयलरमध्ये उत्पन्न केलेल्या पाण्याच्या वाफेचा उपयोग करतात. या वाफेवरचा दाब नियंत्रित करून तिच्या तपमानाचे नियंत्रण करता येते.

संदर्भ : Badger, W. L.; Banchero, J. T. Introduction to Chemical Engineering, Tokyo, 1955.

लेखक : मा.वा.कुंटे

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश