Азеотропна Дестилация: Разделяне На Течни Смеси

Като инженер или студент по инженерство вие винаги търсите начини за разделяне и пречистване на течни смеси, които са бързи и лесни.

Но може да не знаете за азеотропната дестилация.

Този процес не само разделя смесите, но също така може да направи чисти компоненти, което е трудно да се направи с традиционните методи на дестилация.

Азеотропната дестилация е сложен, но интересен процес, който стана много важен в инженерната и химическата промишленост.

В тази статия ще обясня как работи азеотропната дестилация, както и нейните предимства, недостатъци и обичайни употреби.

С това знание ще можете да издигнете своите техники за разделяне на следващото ниво.

Въведение в азеотропната дестилация

Официална дефиниция:

Процес, при който течна смес се разделя на чисти компоненти с помощта на допълнително вещество или разтворител.

Азеотропната дестилация е начин за разделяне на частите на смес чрез създаване на азеотроп, който е смес от части, която кипи при една и съща температура.

Дестилацията не може да се използва за разделяне на този вид смес на части, тъй като всички части имат еднакво количество пара и течност.

Екстракционната дестилация, от друга страна, е подобен начин за разделяне на смеси, но вместо уловител, тя използва разтворител за разделяне на смесите.

Азеотропна дестилация

При азеотропната дестилация се използва уловител, за да се промени колко летливи са различните части на сместа, което прави възможно разделянето им.

Чрез комбиниране на един или повече от компонентите с уловителя се получава нов азеотроп.

Този нов азеотроп може да бъде отделен от първоначалната смес чрез фракционна дестилация.

Увличащият елемент обикновено е част от сместа, която има ниска точка на кипене и висока относителна летливост в сравнение с другите части.

Ако сместа образува азеотроп с минимално кипене, който е азеотропът с най-ниска точка на кипене, увличащият елемент ще се комбинира с по-летливата част от първоначалната смес, за да образува азеотроп.

В този случай азеотропът с най-ниска точка на кипене, който се образува при добавяне на уловителя, се изпарява първи.

Това се нарича дестилат.

Ако не, ако се образува азеотроп с максимална точка на кипене с уловителя, по-летливата част от първоначалната смес ще се изпари първа.

Това прави възможно фракционната дестилация да раздели частите на първоначалната смес.

Екстрактивна дестилация

При екстрактивна дестилация всяка смес трябва да използва различен разтворител за разделяне и разтворителите не трябва да имат склонност да образуват азеотроп.

Разтворителят променя равновесието пара-течност на сместа, което прави възможно разделянето на частите.

Екстракционната дестилация може да се използва за разделяне на смеси, които са склонни да образуват азеотропи, което не е възможно при азеотропна дестилация.

Смеси с постоянно кипене

Смес, която кипи с постоянна скорост, наричана още "азеотропна" смес, има ефект върху фракционната дестилация на по-малко от идеалните смеси (азеотропи).

Ако законът на Раул е нарушен по положителен начин, той прави крива на налягането на парите с максимална стойност, която не е чисто А или чисто Б.

Ако тези смеси имат много пара, техните точки на кипене ще бъдат ниски.

Молекулите се движат лесно и само фракционната дестилация не е достатъчна, за да се получи чист етанол, тъй като той все още ще има вода и други примеси.

Изкуството на сложните разделяния: Изследване на азеотропната дестилация

Все още е трудно да се получи и трудно да се разбере? Да променя малко гледната точка:

Уморени ли сте от същите стари скучни процеси на дестилация, които просто разделят смесите, без да добавят допълнителен вкус? Искате ли да направите вашите техники за разделяне по-трудни и по-объркващи, отколкото трябва да бъдат? Е, имам отговора за вас! Азеотропната дестилация е процес, който изисква просто разделяне и го превръща в лабиринт от допълнителни вещества и разтворители.

Защо да използвате само едно нещо за разделяне на смеси, когато можете да използвате две или три? Кой иска да бъде прост, когато можете да бъдете сложен? Азеотропна дестилация: Понякога най-добрият начин да почистите частите си е да направите процеса възможно най-сложен.

Добре, това беше просто шега, маскирана като телевизионна реклама. Сега да се върнем към обяснението.

Процес на азеотропна дестилация

Азеотропната дестилация има много предимства пред други начини за разделяне на неща, като например колко лесно е да се разделят уловителя и продукта, който искате, колко лесен е за използване, колко малко енергия използва и колко евтин е.

Видове Entrainers

За азеотропна дестилация има три вида уловители: хомогенни, хетерогенни и екстрактивни.

Хомогенните захващащи вещества могат да се смесват с всички компоненти на фуража, но хетерогенните захващащи вещества образуват две течни фази, които не могат да се смесват.

Екстрахиращите уловители не образуват азеотроп с нито един от захранващите компоненти.

Вместо това те премахват само по-полярните или по-малко полярните компоненти въз основа на тяхната полярност.

Хомогенна и хетерогенна азеотропна дестилация

Съществуват два вида азеотропна дестилация, наречена хомогенна и хетерогенна, които зависят от начина на взаимодействие на уловителя с захранващата смес.

Хомогенната азеотропна дестилация е по-лесна за използване и по-ефективна от хетерогенната азеотропна дестилация, тъй като уредът може да се смесва с всички компоненти в захранващия материал.

Хетерогенната азеотропна дестилация, от друга страна, използва уловител, който не може да се смеси с никоя от частите на захранващата смес.

Това може да доведе до повреда на колоната при малки промени в налягането или спиране на декантера при малки течове.

Така че тя се влияе повече от това как се управлява, отколкото хомогенната азеотропна дестилация.

Ограничения на азеотропната дестилация

Азеотропната дестилация има някои предимства, но има и някои проблеми.

Някои разтвори не могат да бъдат разделени също така чрез дестилация, ако имат азеотропи в техните състояния на равновесие пара-течност.

Освен това изборът на азеотропен агент може да има голям ефект върху процеса и, ако не се борави правилно, може да замърси околната среда.

Освен това използването на азеотропна дестилация все още използва много енергия и може не винаги да доведе до нивото на чистота, което е необходимо за целевите продукти.

Приложения на азеотропна дестилация

Дехидратация на етанол

Един от най-известните начини за използване на азеотропна дестилация е отстраняването на вода от смеси от етанол и вода.

Азеотропната смес отива в последната колона, където се случва азеотропната дестилация.

В миналото за това са били използвани много различни уловители, но бензенът е бил използван най-много, докато не се установи, че причинява рак.

През повечето време циклохексанът се използва за разрушаване на азеотропа етанол-вода в съвременната наука.

Този процес е много важен в производството на етанол за горива, където водата трябва да бъде извадена от етанола, за да се предпазят двигателите от повреда и да се увеличи количеството на етанол в горивните смеси.

Хетерогенна азеотропна дестилация

Добавянето на уловител, който прави отделна фаза, е част от подгрупа от промишлени методи за азеотропна дестилация.

Подобно на екстракционната дестилация, този процес на добавяне на увличащ агент, който прави нова фаза, се нарича увличане.

Често срещан начин за използване на този метод е смесването на бензен с вода и етанол, за да се получи нов хетерогенен азеотроп с по-ниска точка на кипене, който може да бъде разделен по обичайния начин.

Този метод е особено полезен за премахване на примеси в органични разтворители, почистване на етерични масла и връщане на въглеводороди.

Други употреби

Азеотропната дестилация има редица приложения в индустрията освен дехидратирането на етанол и хетерогенната азеотропна дестилация, като например:

• Изомерите, които имат почти същите физични и химични свойства, могат да бъдат разделени с помощта на азеотропна дестилация.
• Азеотропната дестилация се използва във фармацевтичната, химическата и полимерната промишленост за връщане на разтворители от потоците от отпадъци.
• Киселинните газове се отделят от потоците от природен газ чрез процес, наречен азеотропна дестилация.
• Разделяне на етерични масла: Азеотропната дестилация се използва за отделяне и почистване на етерични масла от растителна материя.
• Отстраняване на вода от разтворители: Азеотропната дестилация се използва в химическата и фармацевтичната промишленост за отстраняване на вода от разтворители.

Предизвикателства при азеотропната дестилация

Азеотропната дестилация е добър начин за разделяне на азеотропни смеси, но идва с някои предизвикателства, които трябва да се преодолеят, за да се получат най-добри резултати.

Избор на Entrainer:

При синтеза и концептуалния дизайн на процесите на AD, изборът на entrainer е много важен, тъй като той определя реда на разделяне.

Ентрайнерът трябва да образува силен азеотроп с един от компонентите на сместа и да може лесно да се отделя от продукта, който искате.

Изборът на уловител влияе върху качеството и чистотата на продукта и ако не се използва правилно, може да замърси и околната среда.

Ефекти на Excess Entrainer:

Добавянето на излишно количество уловител може да доведе до увеличаване на консумацията на енергия, тъй като допълнителният уловител трябва да бъде отделен от желания продукт.

Това може да увеличи разходите за производство на продукта и може също да понижи качеството му.

В някои случаи излишъкът от увличащ агент може да доведе до образуването на трети азеотроп, което може да усложни процеса на разделяне.

Недостатъчен Entrainer:

Ако използвате твърде малко уловител, продуктът може да не е напълно отделен или да не е толкова чист.

Така че, при азеотропна дестилация, количеството на уловителя трябва да бъде оптимизирано, така че желаното ниво на разделяне и чистота да може да се достигне с най-малко количество енергия и разходи.

Как се правят азеотропите:

Когато уловител променя относителната летливост на азеотропна смес, той образува азеотроп с максимално кипене или минимално кипене.

Добавянето на интрайнер може допълнително да подобри чистотата на азеотропен компонент.

Но ако изберете твърде много или твърде малко entrainer, това може да промени колко добре работи процесът на разделяне.

След азеотропната точка:

Дестилирането на азеотропна смес отвъд нейната азеотропна точка е възможно, но този процес използва алтернативни скъпи техники за разделяне като дестилация с промяна на налягането.

Вместо да се опитвате да дестилирате след азеотропната точка, важно е да намерите точното количество уловител, за да получите добро разделяне.

Азеотропна дестилация на практика

Entrainers в азеотропна дестилация

Тъй като може да образува азеотроп с ниска точка на кипене с вода, бензенът често се използва като увличащ агент при азеотропна дестилация.

Толуенът обаче е по-добър от бензена, защото бензенът може да причини рак.

Entrainer работи добре, ако може да се комбинира с един от компонентите в фуражната смес, за да направи нов азеотроп.

Това променя относителната летливост на компонентите и прави възможно разделянето им.

Уредът трябва лесно да се отделя от продукта, който искате, и можете да го получите обратно чрез дестилация, декантиране или друг метод.

При азеотропната дестилация ефектът от твърде много уловител зависи от използваната система.

Когато се добави твърде много захващащ агент, количеството използвана енергия се увеличава, тъй като допълнителният захващащ агент трябва да бъде отделен от желания продукт.

Това може да увеличи разходите за производство на продукта и може също да понижи качеството му.

Понякога твърде много увличащ агент може да причини образуването на трети азеотроп, което може да направи процеса на разделяне по-труден.

От друга страна, ако използвате твърде малко уловител, продуктът може да не е напълно отделен или да не е толкова чист.

Така че трябва да се използва правилното количество entrainer, за да се получи необходимото ниво на разделяне и чистота с най-малко количество енергия и разходи.

Дълбоките евтектични разтворители (DES) стават все по-популярни като уловители при азеотропна дестилация, защото са по-добри за околната среда от традиционните разтворители.

Азеотропни смеси като бензен-циклохексан и ацетонитрил-вода се разделят лесно с DES.

DES може да се използва и в техника, наречена „екстрактивна дестилация“, която е подобна на дестилацията и включва добавяне на разтворител, за да се извлече една от частите на захранващата смес.

Азеотропна дестилация в сравнение с парна дестилация

С парна дестилация чувствителните към топлина материали като естествени ароматни съединения се отделят от органичните материали.

Азеотропната дестилация, от друга страна, се използва за разделяне на частите на азеотропна смес.

Смесите, които са азеотропни, са трудни за разделяне с традиционната дестилация, тъй като техните точки на кипене остават същите и парите са същите като течната смес.

Тъй като парната дестилация се използва за разделяне на материали, които са чувствителни към топлина, е трудно да се каже каква е азеотропната температура на водата и толуола.

Толуенът и водата, от друга страна, образуват азеотроп при 84,1°C, който се състои от 22,85% вода и 77,15% тегл. Толуен.

Тъй като действа като едно съединение, смес от толуен и вода с този състав не може да бъде разделена допълнително чрез проста дестилация.

Можете да разделите тази смес, като използвате азеотропна дестилация с уловител или екстракционна дестилация с разтворител.

Видео: Азеотропно изместване и разделяне

Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него. Изберете „автоматичен превод“ в бутона за настройки, ако не сте запознати с английския език. Може да се наложи първо да щракнете върху езика на видеоклипа, преди любимият ви език да стане достъпен за превод.

Случаи на употреба

Използвано в:	Описание:
Вода за почистване	Азеотропната дестилация често се използва за пречистване на вода, особено в полупроводниковата и електронната промишленост, където е необходима свръхчиста вода. С помощта на уловител азеотропната дестилация може да направи вода с много малко примеси, която може да се използва в чувствителни ситуации.
Възстановяване на разтворителя	Азеотропната дестилация се използва за отделяне на разтворители от реакционни смеси. Това позволява скъпите или трудни за намиране разтворители да бъдат възстановени и използвани отново. Например азеотропната дестилация може да се използва за отделяне на етанол от вода, който след това може да се използва за производство на биогорива или за други промишлени цели.
Екстракция на етерично масло	Популярен начин за получаване на етерични масла от растения е използването на азеотропна дестилация. С помощта на интрайнер азеотропната дестилация може да извлече повече етерични масла от растенията, отколкото традиционната парна дестилация. Това означава, че маслата ще бъдат по-качествени и ще дават по-голям добив.
Полимерно пречистване	Азеотропната дестилация може да се използва за отстраняване на примеси от полимери, които биха могли да променят техните свойства или колко добре работят. Например, азеотропната дестилация може да се използва за почистване на полистирол, като се отървете от всички останали мономери и други примеси, които биха могли да променят начина, по който работи полимерът.
Фармацевтично производство	Азеотропната дестилация често се използва за разделяне и почистване на реакционни смеси по време на производството на фармацевтични продукти. Например азеотропната дестилация може да се използва за разделяне и почистване на реакционни смеси при производството на антибиотици, което води до продукти с висока чистота.

Заключение

В заключение, азеотропната дестилация е полезен начин за разделяне на сложни смеси на техните чисти части.

Това е мощен инструмент за инженери и учени поради уникалната си способност бързо да произвежда чисти компоненти.

Но като всеки метод на разделяне, той има своите граници и се нуждае от внимателно обмисляне на състава на сместа, избора на уловител и условията на процеса, за да работи добре.

Докато продължавате да разглеждате възможностите на азеотропната дестилация, имайте предвид, че този процес е не само техническо предизвикателство, но и възможност за творческо решаване на проблеми и нови идеи.

Ако мислите за азеотропната дестилация по правилния начин, това може да доведе до нови инженерни открития и идеи.

Така че бъдете отворени и опитвайте нови неща. Вариантите са много.