Chưng cất đơn giản cho hơi đi thẳng từ bình đun sang ống sinh hàn, chỉ có một lần bay hơi và ngưng tụ, nên chỉ tách tốt khi các chất sôi cách nhau xa hoặc khi tách chất lỏng khỏi chất rắn hoà tan. Chưng cất phân đoạn chèn thêm một cột ở giữa, trong đó hơi ngưng lại rồi bay lên nhiều lần, nhờ vậy tách được những chất sôi gần nhau và thu được từng "phân đoạn" theo khoảng nhiệt độ. Khác biệt cốt lõi là số bậc làm giàu: một bậc so với nhiều bậc.
Chưng cất đơn giản giỏi việc gì
Bộ chưng cất đơn giản gồm bình cầu, đầu nối có nhiệt kế, ống sinh hàn nằm nghiêng và bình hứng. Hơi rời mặt chất lỏng là đi ngay vào vùng lạnh. Thiết kế này làm tốt ba việc:
- Tách chất lỏng khỏi chất không bay hơi. Nước khỏi muối, dung môi khỏi một chất rắn đã hoà tan trong nó, nước cất từ nước máy. Chất ở lại không bay hơi nên một bậc là đủ.
- Thu hồi dung môi sau khi dùng, khi chỉ cần lấy lại phần lớn dung môi mà không đòi độ sạch quá cao.
- Tách hai chất lỏng sôi rất xa nhau. Sách thực hành hoá hữu cơ thường lấy mốc chênh lệch điểm sôi trên khoảng 25 °C làm điều kiện tối thiểu; chênh càng nhiều thì dịch cất càng sạch.
Ưu điểm của nó là nhanh, ít hao hụt (ít chất lỏng bị giữ lại trên thành dụng cụ), dễ lắp. Nhược điểm là gặp hai chất sôi gần nhau thì dịch cất chỉ "giàu hơn một chút" chứ không sạch.
Vì sao một lần cất là không đủ
Lấy ví dụ quen trong giáo trình: hỗn hợp xyclohexan (sôi khoảng 81 °C) và toluen (sôi khoảng 111 °C), mỗi chất một nửa theo số mol. Hai chất này cư xử gần như dung dịch lý tưởng, nên có thể ước lượng bằng định luật Raoult.
Theo tính toán gần đúng, hỗn hợp này bắt đầu sôi quanh 92 °C, và hơi đầu tiên bốc lên chứa chừng 70% xyclohexan. Nghĩa là sau một lần chưng cất đơn giản, ta đi từ 50% lên khoảng 70%: tốt hơn, nhưng còn xa mới sạch. Nếu lấy chất lỏng 70% đó đun lại, hơi của nó lên khoảng 85%. Lần thứ ba vượt 90%. Muốn đạt 99% cần thêm vài bậc nữa.
Làm từng lần như vậy bằng tay thì tốn công, tốn thời gian và hao chất ở mỗi lần chuyển bình. Chưng cất phân đoạn là cách để các "lần cất lại" xảy ra liên tục, tự động, ngay trong một cái cột.
Cột phân đoạn làm việc thế nào
Cột phân đoạn là một đoạn ống thẳng đứng đặt giữa bình cầu và đầu nối nhiệt kế. Bên trong có bề mặt để hơi bám lên: những gai thuỷ tinh lồi vào trong (cột Vigreux), hoặc đệm như hạt thuỷ tinh, vòng sứ nhỏ, lưới thép không gỉ.
Khi hỗn hợp sôi, hơi đi lên và gặp thành cột nguội hơn. Một phần hơi ngưng lại thành lỏng, chảy ngược xuống. Lớp lỏng này lại gặp luồng hơi nóng mới đi lên, được đun nóng và bay hơi lần nữa. Mỗi lần ngưng rồi bay lại, phần bay lên giàu chất dễ bay hơi thêm một bậc, phần chảy xuống giàu chất khó bay hơi thêm một bậc.
Dọc chiều cao cột hình thành một dải nhiệt độ: dưới nóng, trên nguội hơn. Khi mọi thứ ổn định, đỉnh cột gần như chỉ còn hơi của chất sôi thấp nhất, nhiệt kế ở đỉnh đứng yên quanh điểm sôi của chất đó. Người làm thí nghiệm gọi mỗi "lần cân bằng hơi – lỏng" tương đương là một đĩa lý thuyết. Cột Vigreux ngắn trong phòng thí nghiệm học sinh chỉ cho vài đĩa lý thuyết; cột đệm dài, được bọc giữ nhiệt tốt cho nhiều hơn đáng kể.
Một chi tiết hay bị bỏ qua: cất chậm
Cột chỉ làm đúng việc của nó khi có đủ chất lỏng chảy ngược để gặp hơi đi lên. Đun quá mạnh, hơi xộc thẳng lên đỉnh, cột hoá thành một ống dẫn, kết quả chẳng khác chưng cất đơn giản. Trong phòng thí nghiệm, người ta thường giữ tốc độ quanh một đến hai giọt dịch cất mỗi giây và quấn giấy bạc hoặc bông thuỷ tinh quanh cột để cột không nguội quá nhanh vì gió.
Đọc nhiệt kế để biết đang cất ra gì
Trong chưng cất phân đoạn, nhiệt kế ở đỉnh là "kim chỉ đường". Đường nhiệt độ theo thời gian thường có hình bậc thang:
- Phân đoạn đầu: nhiệt độ leo lên, dịch cất đầu tiên thường lẫn tạp chất dễ bay hơi và hơi ẩm còn lại trong dụng cụ. Người ta hứng riêng và bỏ hoặc xử lý riêng.
- Phân đoạn chính thứ nhất: nhiệt độ đứng yên quanh điểm sôi của chất nhẹ. Đây là phần sạch nhất của chất nhẹ, hứng vào bình riêng.
- Phân đoạn trung gian: chất nhẹ cạn dần, nhiệt độ bắt đầu tăng. Phần này là hỗn hợp, hứng riêng, có thể cất lại sau.
- Phân đoạn chính thứ hai: nhiệt độ lại đứng yên ở điểm sôi của chất nặng hơn.
- Cặn: dừng trước khi bình cạn, để lại một ít chất lỏng trong bình.
Với chưng cất đơn giản, đường nhiệt độ không có bậc rõ như vậy mà trườn lên dần, vì hơi đến nhiệt kế luôn là hỗn hợp có thành phần thay đổi liên tục.
Bảng so sánh nhanh
| Tiêu chí | Chưng cất đơn giản | Chưng cất phân đoạn |
|---|---|---|
| Cấu tạo | Bình – đầu nối – sinh hàn – bình hứng | Thêm cột Vigreux hoặc cột đệm giữa bình và đầu nối |
| Số bậc làm giàu | Khoảng một | Nhiều, tuỳ chiều dài và loại cột |
| Dùng khi | Chất lỏng lẫn chất rắn; hai chất sôi cách xa | Các chất sôi gần nhau; cần chia nhiều phân đoạn |
| Tốc độ | Nhanh | Chậm hơn, phải chờ cột ổn định |
| Hao hụt | Ít | Nhiều hơn, chất lỏng giữ lại trong cột |
| Năng lượng | Ít hơn | Nhiều hơn vì chất lỏng bay hơi nhiều lần |
| Quy mô công nghiệp | Thiết bị cô, thu hồi dung môi | Tháp lọc dầu, tháp tách không khí, tháp dung môi |
Phân đoạn ngoài đời: từ tháp lọc dầu tới tinh dầu tinh chế
Dầu thô
Dầu thô là hỗn hợp của hàng nghìn hợp chất, không thể và không cần tách từng chất. Nhà máy lọc dầu nung dầu thô rồi đưa vào một tháp cao, có nhiều đĩa, lấy sản phẩm ra ở nhiều độ cao khác nhau: khí và xăng nhẹ ở đỉnh, rồi dầu hoả, diesel ở lưng tháp, phần nặng ở đáy. Mỗi dòng lấy ra là một phân đoạn theo khoảng nhiệt độ sôi, đúng như cách bình hứng được thay ở phòng thí nghiệm, chỉ là diễn ra liên tục. Hai nhà máy lọc dầu Dung Quất (Quảng Ngãi) và Nghi Sơn (Thanh Hoá) đều vận hành theo nguyên lý này.
Tinh dầu
Tinh dầu thô sau khi cất bằng hơi nước đôi khi được chưng cất phân đoạn thêm một lần, thường dưới chân không, để tăng hàm lượng một thành phần hoặc bỏ bớt phần có mùi không mong muốn. Ví dụ, tinh dầu khuynh diệp được tinh chế để nâng tỉ lệ 1,8-cineole; tinh dầu sả có thể được phân đoạn để thu phần giàu citral hoặc citronellal cho ngành hương liệu. Sản phẩm này trên nhãn tiếng Anh thường ghi là "rectified" (tinh chế), khác với tinh dầu cất một lần.
Lưu ý an toàn và cách học tiếp
Cả hai kiểu chưng cất đều thuộc thao tác phòng thí nghiệm có người hướng dẫn. Những dung môi hay dùng để minh hoạ phân đoạn như xyclohexan, toluen đều dễ cháy, hơi nặng hơn không khí, lan sát mặt bàn tới nguồn lửa. Phòng thí nghiệm dùng bếp bọc hoặc bể dầu chứ không đun lửa trần, có tủ hút, có bình chữa cháy. Đây không phải việc dựng ở nhà.
Muốn tự thấy hiện tượng phân đoạn an toàn, có thể quan sát gián tiếp: rót nước nóng vào cốc, đặt một chiếc thìa inox lạnh nghiêng trên miệng cốc, nhìn giọt ngưng hình thành rồi chảy ngược về. Đó chính là "dòng lỏng chảy xuống gặp hơi đi lên" thu nhỏ.
Người học sâu hơn nên đọc phần chưng cất trong giáo trình Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học của các trường kỹ thuật, nơi trình bày phương pháp McCabe – Thiele (1925) để đếm số đĩa lý thuyết bằng đồ thị. Phương pháp này gần trăm năm tuổi nhưng vẫn là cách trực quan nhất để thấy vì sao hai chất càng sôi gần nhau thì cột càng phải dài.
Câu hỏi thường gặp
Khi nào dùng chưng cất đơn giản, khi nào dùng chưng cất phân đoạn?
Dùng chưng cất đơn giản khi tách chất lỏng khỏi chất rắn hoà tan hoặc khi hai chất lỏng sôi cách nhau xa, thường trên khoảng 25 °C. Khi các chất sôi gần nhau hoặc cần chia thành nhiều phần theo nhiệt độ, phải dùng chưng cất phân đoạn có cột.
Cột phân đoạn có tác dụng gì?
Cột tạo bề mặt để hơi ngưng tụ rồi bay hơi lại nhiều lần trên đường đi lên. Mỗi lần như vậy phần hơi giàu chất dễ bay hơi thêm một bậc, nên ở đỉnh cột thu được chất sạch hơn nhiều so với một lần cất.
Phân đoạn trong chưng cất là gì?
Phân đoạn là phần dịch cất được hứng riêng trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Người làm thay bình hứng mỗi khi nhiệt độ ở đỉnh chuyển sang một mức mới, nhờ vậy mỗi bình chứa chủ yếu một chất hoặc một nhóm chất có điểm sôi gần nhau.
Đĩa lý thuyết là gì?
Đĩa lý thuyết là một bậc mà tại đó hơi và lỏng đạt cân bằng với nhau. Một cột càng có nhiều đĩa lý thuyết thì khả năng tách càng cao; chưng cất đơn giản tương đương khoảng một đĩa.
Vì sao chưng cất phân đoạn phải đun chậm?
Cột chỉ tách tốt khi có đủ lượng lỏng chảy ngược xuống tiếp xúc với hơi đi lên. Đun quá mạnh làm hơi đi thẳng lên đỉnh, cột không kịp làm việc và kết quả gần giống chưng cất đơn giản.
