وب سایت فنی مهندسی احسان امیری مفتخر است کتاب ارزشمند “کروماتوگراف گاز فرآیندی” ترجمه احسان توکلی را معرفی کند. این کتاب یکی از جامعترین منابع در زمینه آنالیز گازها و مایعات فرار به روش کروماتوگرافی است و به زبان ساده و کاربردی، مفاهیم پیچیده این حوزه را توضیح میدهد.
این اثر به عنوان پلی میان دانش روز دنیا و نیازهای مهندسان و صنعتگران ایرانی عمل میکند. از ویژگیهای برجسته این کتاب، رویکرد تلفیقی آن است که مباحث تئوری و عملی را بهصورت همزمان پوشش میدهد و هم برای تازهکاران و هم برای متخصصان با تجربه، مرجع ارزشمندی محسوب میشود.
ترجمه دقیق و علمی این کتاب با استفاده از منابع معتبر و مشاوره با اساتید و متخصصان حوزه کروماتوگرافی انجام شده است تا با بالاترین کیفیت و دقت در اختیار خوانندگان قرار گیرد.
برای آشنایی بیشتر با این کتاب و استفاده از محتواهای علمی و کاربردی آن، به وب سایت فنی مهندسی احسان امیری مراجعه نمایید. همچنین میتوانید فایل PDF این کتاب را برای مطالعه و آشنایی با فهرست و مطالب آن، از طریق کلیک لینک دانلود دریافت کنید.
این کتاب نقش بسزایی در ارتقای دانش و مهارتهای تخصصی مهندسان و صنعتگران دارد و مطالعه آن به همه پژوهشگران، دانشجویان و متخصصان حوزههای مختلف توصیه میشود. از شما دعوت میکنیم تا از این منبع ارزشمند بهرهمند شوید و در راستای پیشرفت علمی و صنعتی کشور، گامی مؤثر بردارید.
پیشگفتار مترجم
کتاب حاضر با عنوان «کروماتوگراف گاز فرآیندی» یکی از منابع ارزشمند در حوزه آنالیز گازها یا مایعات فرار به روش کروماتوگرافی است که نقش مهمی در صنایع مختلف از جمله نفت، گاز و پتروشیمی دارد. این کتاب با رویکردی جامع و علمی، مفاهیم پایهای و کاربردی این روش را به زبانی ساده و قابلفهم ارائه میدهد.
ایده ترجمه این کتاب زمانی شکل گرفت که پس از شرکت در دوره آموزشی نویسنده کتاب (Tony Waters) احساس کردم عدم وجود منابع فارسی در این زمینه باعث شده است متخصصان و کاربران دسترسی محدودی به دانش روز داشته باشند. هدف من از ترجمه این اثر، ایجاد پلی میان علم روز دنیا و نیازهای مهندسان و صنعتگران ایرانی بود.
فرآیند ترجمه این کتاب برای من تجربهای پربار و درعینحال چالشبرانگیز بود. یکی از بزرگترین چالشها، معادلسازی دقیق اصطلاحات تخصصی و انتقال مفاهیم علمی با حفظ امانتداری نسبت به متن اصلی بود. برای این منظور، از منابع معتبر علمی، مشاوره با اساتید و متخصصان حوزه کروماتوگرافی و همچنین تجربههای شخصی خود بهره گرفتم تا اطمینان حاصل کنم که محتوای کتاب با بالاترین دقت و کیفیت ممکن به خوانندگان ارائه شود.
یکی از ویژگیهای برجسته این کتاب، رویکرد تلفیقی آن است که مفاهیم تئوری و کاربردی را بهصورت همزمان بررسی میکند. نویسنده با زبانی ساده و شفاف، در سه بخش اصول اولیه کروماتوگراف گاز فرآیندی، سخت افزار داخلی و سیستم کنترل را توضیح دادهاست. این امر سبب میشود که کتاب حاضر هم برای تازهکاران و هم برای متخصصان باتجربه، مرجع ارزشمندی باشد.
در مسیر ترجمه این اثر، افراد زیادی همراه من بودند که بدون حمایت و همفکری آنها، به سرانجام رساندن این پروژه ممکن نبود. در اینجا لازم میدانم از همکاران گرامیام جناب آقای مهندس هاشمی و سرکار خانم مهندس فاطمه طایی در شرکت فنی مهندسی آمیتیس که با ارائه دیدگاههای تخصصی و نقدهای سازنده، نقشی مهم در بهبود کیفیت ترجمه داشتند، صمیمانه تشکر کنم. همچنین از خانواده عزیزم که در تمام مراحل کار، حامی و مشوق من بودند، سپاسگزاری میکنم.
از آنجا که هیچ اثری خالی از کاستی نیست و این کتاب نیز از این قاعده مستثنی نیست. از شما خوانندگان فرهیخته تقاضا دارم اگر در متن این اثر، اشکال، ایراد یا نکتهای قابلبهبود یافتید، یا پیشنهادی برای غنای هرچه بیشتر آن داشتید، لطف کنید و نظرات ارزشمند خود را از طریق آدرس ایمیل e.tavakoli@amitistech.com با اینجانب به اشتراک بگذارید. پیشنهادهای شما چراغ راهی برای بهبود و ارتقای این کتاب در ویرایشهای آینده خواهد بود.
در نهایت، امیدوارم این ترجمه بتواند گامی هرچند کوچک در جهت ارتقای دانش و توانمندیهای علمی و عملی خوانندگان گرامی باشد. از تمامی پژوهشگران، دانشجویان و صنعتگران دعوت میکنم که با دقت و علاقه به مطالعه این کتاب بپردازند و در راستای پیشرفت علمی و صنعتی کشورمان از آن بهرهمند شوند.
با آرزوی موفقیت احسان توکلی دی ماه 1403
این کتاب بر روی کروماتوگراف گاز فرایندی (PGC) تمرکز دارد. دهها کتاب خوب در مورد علم کروماتوگرافی گازی وجود دارد، اما کتابهای کمی در مورد فناوری کروماتوگراف گاز فرایندی نوشته شده است. تا قبل از این فقط دو کتاب به کروماتوگراف (Huskins 1977; Annino and Villalobos 1992) گاز آنلاین صنعتی اختصاص یافته بود.
کروماتوگرافهای گاز صنعتی ابزار پیچیدهای هستند و افرادی که آنها را طراحی و کاربری میکنند به دانش ویژه و مهارتهای منحصربهفرد نیاز دارند. این کتاب برای رفع نیازهای تکنسین آنالایزر، مهندس ابزاردقیق فرایند و متخصص آنالایزر فرآیند نوشته شده است.
PGC یک فناوری کاربردی است و این کتاب نیز کاربردی است. این کتاب راهنمای آموزشی مناسب برای کسانی است که در حال حاضر این تخصص را یاد میگیرند و یک راهنمای مرجع مفید برای افراد شاغلی است که در حال کار با کروماتوگراف گاز هستند. فصلهای این کتاب عمدا فشرده هستند و برای یک برنامه مطالعه هفتگی یا به عنوان درسهای متمرکز در یک دوره آموزشی، مناسب هستند. هر فصل با خلاصهای از آنچه در آن فصل آموخته شد ،به پایان میرسد.
هر کسی که در صنایع فرآوری سیال کار میکند، میداند که پایگاه دانش آنها در حال از بین رفتن است. به دلیل کاهش پرسنل و بازنشستگی انبوه، صنعت ما چندین دهه تجربه سخت به دست آمده را از دست میدهد.
Walter Jennings و Colin Poole اخیراً این وضعیت را به خوبی بیان کردهاند: (Jennings and Poole 2012, 72)
این [اتوماسیون کروماتوگرافهای گاز] منجر به کاهش مداوم تخصص کارشناسان کروماتوگراف از اواسط دهه 1281 تا کنون شده است. این مسئله میتواند خطرناک باشد، زیرا همه چیز از انتخاب ستون تا مهارتهای عیبیابی مبتنی بر دانش اساسی از اصول کروماتوگرافی است که فقدان آن کیفیت و سودمندی اطلاعات به دست آمده توسط این ابزارها را کاهش میدهد. برای رسیدگی به این مشکلات، قبل از اینکهاین دانش از بین برود و سودمندی کروماتوگراف گاز برای تصمیم گیرندگان زیر سوال برود، به یک تلاش آموزشی گسترده نیاز است.
هیچ دلیل واضحتری برای توجیه نوشتن این کتاب وجود ندارد. در حالی که نویسندگان برای شیمیدانان آزمایشگاهی کتابهای مناسب مینویسند، کسانی که روی کروماتوگرافهای صنعتی کار میکنند نیز نیاز به ارائه دانش بنیادی از اصول کروماتوگرافی به گونهای دارند که یک دوره آموزشی گسترده را تسهیل کند. این کتاب درسی برای برآوردن این نیازها تنظیم شده است. کتاب در درجه اول برای مهندسان و تکنسینهای آنالایزر فرآیند نوشته شده است، اما برای هر کسی که از کروماتوگراف گاز فرایندی استفاده میکند یا نگهداری میکند مفید میباشد.
این متن دانش بنیادی کروماتوگراف گاز فرایندی را با تشویق خواننده به تفکر انتقادی در مورد آنچه در دستگاه اتفاق میافتد، عمدتاً بدون توسل به قیاس یا ریاضیات، آموزش میدهد. همچنین برخی از روشهای عملی برای طراحی یا عیب یابی را شرح میدهد.
کتابهای مربوط به کروماتوگرافی گاز که تعداد زیادی از آنها وجود دارد، معموًلًا با مرور تاریخچه ساخت کروماتوگراف شروع میشوند، بنابراین ما در این کتاب از این بخش صرفنظر میکنیم. در عوض، ما با درک روش اصلی شروع میکنیم: کروماتوگراف چه کاری انجام میدهد و چگونه آن را انجام میدهد؟ برای خواندن تاریخچه شگفتانگیز علم کروماتوگرافی، به کتاب (Ettre 2008) مراجعه کنید.
جداسازی کروماتوگرافی
بیایید با نگاهی کوتاه به اشکال مختلف کروماتوگرافی شروع کنیم. کروماتوگرافی بهخودیخود یک روش آنالیز کامل نیست. این روش فقط راهی برای جداکردن یک نوع مولکول از نوع دیگری از مولکول است. دلیل جداسازی مولکولها اندازهگیری آنها بهتنهایی و بدون دخالت مولکولهای دیگر است. این جداسازی و اندازهگیری استفاده آنالیزی از کروماتوگرافی است.
درحالیکه اندازهگیری به عنوان آنالیز دلیل اصلی استفاده از کروماتوگرافی است، تنها دلیل استفاده از آن نیست. برخی از فرایندها در مقیاس آزمایشگاهی و مقیاس صنعتی از جداسازی کروماتوگرافی برای جداسازی دستههای بسیار خالص از مواد شیمیایی با ارزش استفاده میکنند. این استفاده بهعنوان کروماتوگرافی آمادهسازی (PreparativeChromatography)) شناخته میشود و با مقادیر بسیار بیشتری از مواد نسبت به کروماتوگراف گاز فرآیندی کروماتوگرافی آنالیزی کار میکند. این کتاب بر آنالیز تمرکز دارد، بنابراین استفاده بهمنظور آمادهسازی از کروماتوگرافی را مورد بحث قرار نمیدهد.
هنگامی که کروماتوگرافی بهعنوان بخشی از یک روش آنالیز استفاده میشود، یک روش بسیار مؤثر برای جداسازی ترکیبات از یکدیگر و از سایر ترکیبات شیمیایی موجود در مواد مورد آنالیز است. پس از جداسازی تمام ترکیبات موردنظر، بخش دیگری هر ترکیب را بهطور مستقل اندازهگیری میکند.
بنابراین بهخاطر داشته باشید که آنالیز کروماتوگرافی همیشه یک فرایند دومرحلهای شامل جداسازی و سپس اندازهگیری میباشد.
راههای زیادی برای جداسازی کروماتوگرافی وجود دارد و همه ترکیبهای ممکن از گازها، مایعات و جامدات را شامل میشود. این اشکال مختلف کروماتوگرافی درحالیکه در عمل کاملاً متفاوت هستند، دارای ویژگیهای مشترکی هستند. جداسازی در تمام کروماتوگرافیهای کاربردی شامل حرکت یک ماده سیال از روی سطح یک ماده ثابت میباشد.
در اصطلاح رسمی کروماتوگرافی به ماده متحرک، فاز متحرک (Mobile Phase)) و به ماده غیر متحرک، فاز ساکن (Stationary Phase) گفتهمیشود.
فاز متحرک ممکن است یک گاز یا یک مایع باشد که ما باتوجهبه آن اصطلاحات زیر را تعریف میکنیم:
- کروماتوگرافی گاز (Gas Chromatography)، که در آن فاز متحرک یک گاز است.
- کروماتوگرافی مایع (Liquid Chromatography)، که در آن فاز متحرک مایع است.
در تعداد کمی از کاربردها از یک سیال فوق بحرانی (Supercritical Fluid) بهعنوان فاز متحرک استفاده میشود. این کتاب در مورداستفاده آنالیزی از کروماتوگرافی گاز برای اندازهگیری آنلاین در فرایندهای صنعتی است و در مورد کروماتوگرافی مایع بحث نخواهیم کرد. در کروماتوگرافی گاز، فاز متحرک همیشه گاز است و معمولاً آن را گاز حامل (Carrier Gas) مینامند. گاز حامل درون یک لوله طولانی باریک به نام ستون کروماتوگرافی که شامل فاز ساکن است، جریان مییابد. فاز ساکن ممکن است یک جامد جاذب (Adsorbent Solid) یا یک مایع غیرفرار (Non-volatile Liquid) باشد. بعداً بیشتر در مورد آن صحبت میکنیم.
قسمتهای اصلی کروماتوگراف گاز
کروماتوگراف گاز یک آنالایزر است که از روشهای کروماتوگرافی گاز برای اندازهگیری غلظت ترکیبات شیمیایی انتخاب شده در یک نمونه کوچک (حاوی مخلوطی از ترکیبات) استفاده میکند.
در کروماتوگراف گاز، فاز متحرک یک نوع گاز است که بهدقت متناسب با آن کاربرد خاص انتخاب شدهاست. فاز متحرک معمولاً هیدروژن، هلیوم یا نیتروژن است، اما هر گازی که با اجزای نمونه یا مواد ستون واکنش نشان ندهد میتواند بهعنوان گاز حامل انتخاب شود. گاز حامل نباید حاوی اکسیژن یا بخار آب باشد، زیرا این مواد ممکن است به ستونها آسیب برساند.
فشار گاز حامل بهدقت و پیوسته کنترل میشود و پس از آن بهطور مداوم در ستون جریان دارد.
سیال مورد آنالیز میتواند به شکل گاز یا مایع فرار (Volatile Liquid) باشد. یک شیر مخصوص، حجم کمی از آن مایع را به گاز حامل جاری تزریق میکند. نمونه مایع معمولاً بلافاصله پس از تزریق تبخیر میشود، بنابراین تا زمانی که به ستون برسد، بهطور کامل بخار شدهاست.
توجه داشتهباشید که وقتی کروماتوگراف گاز نمونه مایع را میپذیرد، به کروماتوگراف مایع تبدیل نمیشود. کروماتوگراف مایع یک ابزار کاملا متفاوت است که از فاز متحرک مایع استفاده میکند و اجزای فاز مایع را جدا میکند. کروماتوگرافهای مایع بهندرت بهعنوان آنالایزر آنلاین صنعتی استفاده میشوند و در این کتاب مورد بحث قرار نمیگیرند.
پس از تزریق، گاز حامل نمونه گاز یا بخار را به ستون میبرد، جایی که با فاز ساکن تماس پیدا میکند. این تماس با فاز ساکن است که جداسازی (Separation) موردنظر را انجام میدهد.
استفاده از کلمه جزء (Component) برای یک ماده شیمیایی یا گروهی از مواد شیمیایی موجود در نمونه مرسوم است. کروماتوگراف گاز ممکن است همه اجزا را اندازه نگیرد، اما هر جزء اندازهگیری شده یک آنالیت (Analyte) نامیده میشود.
کروماتوگراف گاز میتواند یک، چند یا همه اجزای یک نمونه گاز یا مایع فرار را جدا و اندازهگیری کند.
-
کروماتوگراف گاز فرآیندی
پس از جداسازی، گاز حامل اجزا را به یک آشکارساز (Detector) میبرد که سیگنال قابل اندازهگیری را به مدارهای پردازشداده ارائه میدهد.
قسمتهای اصلی کروماتوگراف گاز: هنگامی که شیر تزریق نمونه فعال میشود، مقدار کمی از نمونه را به گاز حامل در حال جریان منتقل میکند. فصلهای بعدی جزئیات کاملی از انواع مختلف شیر تزریق نمونه (Injector) مورد استفاده در کروماتوگراف گاز فرایندی ارائه میدهند.
شکل 1-6 دستگاههای سختافزاری اصلی موجود در هر کروماتوگراف گاز را معرفی میکند:
- گرمکن ستون با یک یا چند ناحیه دمایی تحتکنترل.
- تأمین گاز حامل و سیستم کنترل فشار.
- شیر تزریق نمونه برای تزریق حجم قابل تکرار نمونه به گاز حامل.
- یک یا چند ستون جداساز.
- یک یا چند آشکارساز.
همه کروماتوگرافهای گاز این عملکردهای اساسی را دارند، بااینحال ما شاهد تنوع زیادی در طراحی و ساخت آنها هستیم.
آنالایزرهای صنعتی
توسعه اولیه کروماتوگراف گاز غیرعادی بود. پس از اختراع این روش در سال 1746، شرکتهای نفتی و تولیدکنندگان مواد شیمیایی خیلی سریع به پتانسیل آن برای کنترل فرایند پیبردند و در ادامه شرکتهای سازنده تجهیزات کارهای تکمیلی را انجام دادند. در نتیجه نحوه تکامل کروماتوگرافهای گاز که برای نظارت و کنترل فرایندهای صنعتی در نظر گرفته شدهبودند با مدلهایی که برای استفاده آزمایشگاهی در نظر گرفته شدهبودند، متفاوت بود. اگرچه هر دو نوع از یک فناوری اصلی استفاده میکنند، حوزه کاربرد آنها کاملاً متفاوت است.
بهعنوان مثال، یک کروماتوگراف گاز فرایندی که آنالیز را در دو دقیقه انجام میدهد، روزانه 96۷ نمونه دریافت میکند. درحالیکه کروماتوگراف آزمایشگاهی ممکن است فقط سه نمونه در روز دریافت کند.
بنابراین، مشخصات طراحی یک کروماتوگراف گاز نصب شده در یک کارخانه صنعتی کاملاً متفاوت از یک کروماتوگراف گاز است که روی یک میز آزمایشگاهی قرار دارد.
دلایل اصلی این تفاوتها عبارتاند از:
- کروماتوگرافهای صنعتی در یک محیط بالقوه گرم، سرد، دارای گردوغبار، دارای رطوبت، دارای باد، در حضور مواد خورنده یا خطرناک کار میکند.
- کروماتوگرافهای صنعتی بهطور مداوم بیست و چهار ساعت در روز و هفت روز در هفته کار میکند.
- کروماتوگرافهای صنعتی باید تقریباً بدون دخالت نیروی انسانی قابلاطمینان عمل کند. شاید فقط یک بررسی کالیبراسیون در هر ماه لازم باشد.
- کروماتوگرافهای صنعتی میتوانند فقط بر اندازهگیری تنها تعداد کمی از اجزای یک نمونه (اجزای موردنیاز برای کنترل فرایند) تمرکز کنند.
- کاهش زمان آنالیز برای کروماتوگرافهای صنعتی بسیار مهم است، بنابراین اندازهگیریهای آن برای کنترل فرایند معتبر است.
بهدلایل فوق، یک کروماتوگراف صنعتی (6PGC) ممکن است شامل تجهیزاتی باشد که در شکل 1-6 نشان داده نشده است. در فصلهای بعدی بیشتر درباره این تجهیزات بحث خواهد شد. بهعنوان نمونه:
- سیستم آمادهسازی نمونه (Sampling Conditioning) که خارج از کروماتوگراف برای آمادهسازی نمونه ورودی فرایند بهمنظور سازگاری با کروماتوگراف قرار گرفته است.
- ستونهای متعدد با شیرهای ویژه برای جابهجایی مولکولهای آنالیت از یک ستون به ستون دیگر، در نتیجه سرعت رسیدن اجزای جدا شده به آشکارساز را به حداکثر میرساند. این یک پیچیدگی اضافی است که بهندرت در ابزارهای آزمایشگاهی یافت میشود.