Kao inženjer ili student inženjerstva, uvijek tražite načine za brzo i jednostavno odvajanje i prečišćavanje tekućih smjesa.
Ali možda ne znate za azeotropnu destilaciju.
Ne samo da se ovim procesom odvajaju mješavine, već se mogu dobiti i čiste komponente, što je teško učiniti tradicionalnim metodama destilacije.
Azeotropna destilacija je komplikovan, ali zanimljiv proces koji je postao veoma važan u inženjerskoj i hemijskoj industriji.
U ovom članku ću objasniti kako funkcionira azeotropna destilacija, kao i njene prednosti, nedostatke i uobičajene upotrebe.
Sa ovim znanjem, moći ćete svoje tehnike razdvajanja podići na viši nivo.
Uvod u azeotropnu destilaciju
Formalna definicija:
Proces kojim se tečna smjesa razdvaja na čiste komponente uz pomoć dodatne tvari ili rastvarača.
Azeotropna destilacija je način odvajanja dijelova mješavine stvaranjem azeotropa, koji je mješavina dijelova koji ključa na istoj temperaturi.
Destilacija se ne može koristiti za razdvajanje ove vrste smjese na dijelove jer svi dijelovi imaju istu količinu pare i tekućine.
Ekstrakcijska destilacija je, s druge strane, sličan način odvajanja mješavina, ali umjesto entrainera, koristi otapalo za odvajanje smjesa.
Azeotropna destilacija
U azeotropnoj destilaciji, entrainer se koristi da promijeni koliko su različiti dijelovi mješavine hlapljivi, što omogućava njihovo razdvajanje.
Kombinacijom jedne ili više komponenti sa entrainerom, nastaje novi azeotrop.
Ovaj novi azeotrop se može odvojiti od originalne smjese frakcijskom destilacijom.
Entrainer je obično dio mješavine koji ima nisku tačku ključanja i visoku relativnu isparljivost u poređenju sa ostalim dijelovima.
Ako smjesa formira azeotrop s minimalnim ključanjem, što je azeotrop s najnižom tačkom ključanja, entrainer će se kombinirati s isparljivijim dijelom originalne smjese kako bi se formirao azeotrop.
U ovom slučaju, azeotrop s najnižom tačkom ključanja koji nastaje kada se doda antrainer prvi ispari.
Ovo se zove destilat.
U suprotnom, ako se azeotrop s maksimalnom tačkom ključanja formira s entrainerom, isparljiviji dio originalne smjese prvi će ispariti.
Ovo omogućava frakcijsku destilaciju da se odvoje dijelovi originalne smjese.
Ekstrakciona destilacija
U ekstrakcijskoj destilaciji, svaka mješavina mora koristiti različito otapalo za odvajanje, a rastvarači ne bi trebali težiti stvaranju azeotropa.
Rastvarač menja ravnotežu para-tečnost smeše, što omogućava razdvajanje delova.
Ekstraktivna destilacija se može koristiti za odvajanje smjesa koje imaju tendenciju stvaranja azeotropa, što nije moguće s azeotropnom destilacijom.
Smjese stalnog ključanja
Smjesa koja ključa konstantnom brzinom, također nazvana "azeotropna" mješavina, ima efekte na frakcijsku destilaciju smjesa koje su manje od idealnih (azeotropa).
Ako se Raoultov zakon prekrši na pozitivan način, pravi se krivulja tlaka pare s maksimalnom vrijednošću koja nije čista A ili čista B.
Ako ove mješavine imaju puno pare, njihove točke ključanja će biti niske.
Molekuli se lako kreću, a sama frakciona destilacija nije dovoljna da se dobije čisti etanol jer će i dalje imati vodu i druge nečistoće.
Umjetnost komplikovanih separacija: istraživanje azeotropne destilacije
Još uvijek je teško dobiti i teško razumjeti? Dozvolite mi da malo promijenim tačku gledišta:
Jeste li umorni od istih starih dosadnih procesa destilacije koji samo razdvajaju smjese bez dodavanja ikakvog dodatka? Da li želite da svoje tehnike razdvajanja učinite težim i zbunjujućim nego što bi trebalo da budu? Pa, imam odgovor za vas! Azeotropna destilacija je proces koji zahtijeva jednostavnu separaciju i pretvara je u labirint dodatnih tvari i otapala.
Zašto koristiti samo jednu stvar za razdvajanje mješavine kada možete koristiti dvije ili tri? Ko želi da bude jednostavan kada vi možete biti komplikovani? Azeotropna destilacija: Ponekad je najbolji način da očistite svoje dijelove da proces učinite što je moguće komplikovanijim.
OK, to je bila samo šala prerušena u TV reklamu. Vratimo se sada na objašnjenje.
Proces azeotropne destilacije
Azeotropna destilacija ima mnogo prednosti u odnosu na druge načine razdvajanja stvari, kao što je koliko je lako odvojiti entrainer i proizvod koji želite, koliko je lako koristiti, koliko malo energije koristi i koliko je jeftin.
Vrste Entrainers
Za azeotropnu destilaciju postoje tri vrste unosa: homogeni, heterogeni i ekstraktivni.
Homogeni entraineri mogu se miješati sa svim komponentama hrane, ali heterogeni entraineri formiraju dvije tekuće faze koje se ne mogu miješati.
Ekstrakcioni intraneri ne prave azeotrop ni sa jednom komponentom hrane.
Umjesto toga, uklanjaju samo polarne ili manje polarne komponente na osnovu njihovog polariteta.
Homogena i heterogena azeotropna destilacija
Postoje dvije vrste azeotropne destilacije, koje se nazivaju homogena i heterogena, koje zavise od načina na koji entraner stupa u interakciju sa mješavinom hrane.
Homogena azeotropna destilacija je lakša za upotrebu i efikasnija od heterogene azeotropne destilacije jer se entraner može mešati sa svim komponentama u hrani.
Heterogena azeotropna destilacija, s druge strane, koristi entrainer koji se ne može miješati ni sa jednim dijelom mješavine hrane.
To može uzrokovati kvar kolone pri malim promjenama tlaka ili zatvaranje dekanta s malim curenjem.
Dakle, na njega više utiče način na koji se radi nego na homogenu azeotropnu destilaciju.
Ograničenja azeotropne destilacije
Azeotropna destilacija ima neke prednosti, ali ima i problema.
Neke otopine se ne mogu također odvojiti destilacijom ako imaju azeotrope u ravnotežnom stanju para-tečnost.
Takođe, izbor azeotropnog sredstva može imati veliki uticaj na proces i, ako se njime ne rukuje pravilno, može zagaditi životnu sredinu.
Također, korištenje azeotropne destilacije i dalje koristi mnogo energije, a možda neće uvijek proizvesti nivo čistoće koji je potreban za ciljne proizvode.
Primjena azeotropne destilacije
Dehidracija etanola
Jedan od najpoznatijih načina na koji se koristi azeotropna destilacija je uklanjanje vode iz mješavine etanola i vode.
Azeotropna smjesa ide do posljednje kolone, gdje se odvija azeotropna destilacija.
U prošlosti se za to koristilo mnogo različitih entrenera, ali se najviše koristio benzen dok nije otkriveno da uzrokuje rak.
Većinu vremena, cikloheksan se koristi za razbijanje azeotropa etanol-voda u modernoj nauci.
Ovaj proces je vrlo važan u industriji etanola za gorivo, gdje je potrebno izbaciti vodu iz etanola da se motori ne bi pokvarili i da bi se povećala količina etanola u mješavinama goriva.
Heterogena azeotropna destilacija
Dodavanje entrainera koji čini zasebnu fazu dio je podskupa metoda industrijske azeotropne destilacije.
Slično ekstrakcijskoj destilaciji, ovaj proces dodavanja entrainera koji stvara novu fazu naziva se entrainment.
Uobičajeni način korištenja ove metode je miješanje benzena s vodom i etanolom kako bi se napravio novi heterogeni azeotrop s nižom tačkom ključanja koji se može odvojiti na uobičajeni način.
Ova metoda je posebno korisna za uklanjanje nečistoća u organskim rastvaračima, čišćenje eteričnih ulja i vraćanje ugljovodonika.
Druge upotrebe
Azeotropna destilacija ima brojne primjene u industriji osim dehidracije etanola i heterogene azeotropne destilacije, kao što su:
- Izomeri, koji imaju skoro ista fizička i hemijska svojstva, mogu se odvojiti azeotropnom destilacijom.
- Azeotropna destilacija se koristi u farmaceutskoj, hemijskoj i industriji polimera za vraćanje otapala iz otpadnih tokova.
- Kiseli gasovi se uklanjaju iz tokova prirodnog gasa pomoću procesa koji se naziva azeotropna destilacija.
- Odvajanje eteričnih ulja: Azeotropna destilacija se koristi za odvajanje i čišćenje eteričnih ulja od biljnih materija.
- Uklanjanje vode iz rastvarača: Azeotropna destilacija se koristi u hemijskoj i farmaceutskoj industriji za uklanjanje vode iz rastvarača.
Izazovi u azeotropskoj destilaciji
Azeotropna destilacija je dobar način za odvajanje azeotropnih smjesa, ali dolazi s nekim izazovima s kojima se mora riješiti kako bi se postigli najbolji rezultati.
Izbor Entrainer:
U sintezi i konceptualnom dizajnu AD procesa, izbor entrainera je veoma važan jer određuje redosled razdvajanja.
Entrainer mora formirati jak azeotrop s jednom od komponenti smjese i mora se lako odvojiti od proizvoda koji želite.
Odabir uvlakača utječe na kvalitetu i čistoću proizvoda, a ako se ne koristi pravilno, može i zagaditi okoliš.
Efekti viška Entrainer-a:
Dodavanje viška količine entrenera može uzrokovati povećanje potrošnje energije, jer se dodatni entrainer mora odvojiti od željenog proizvoda.
To može povećati troškove izrade proizvoda, a može i smanjiti njegovu kvalitetu.
U nekim slučajevima, višak entrainera može dovesti do stvaranja trećeg azeotropa, što može zakomplikovati proces odvajanja.
Nedovoljan Entrainer:
Ako koristite premalo entrainera, proizvod možda neće biti potpuno odvojen ili možda neće biti tako čist.
Dakle, u azeotropnoj destilaciji, količinu entrainera treba optimizirati tako da se željeni nivo separacije i čistoće može postići uz najmanju količinu energije i troškova.
Kako se prave azeotropi:
Kada entrainer promijeni relativnu isparljivost azeotropne smjese, formira se ili azeotrop s maksimalnom ili minimalnom ključanjem.
Dodavanje entrainera može dodatno poboljšati čistoću azeotropne komponente.
Ali ako odaberete previše ili premalo entrainera, to može promijeniti koliko dobro funkcionira proces razdvajanja.
Nakon azeotropne tačke:
Destilacija azeotropne mješavine iznad njene azeotropne točke je moguća, ali ovaj proces koristi alternativne, troškovno intenzivne tehnike odvajanja kao što je destilacija pod pritiskom.
Umjesto pokušaja destilacije preko azeotropne tačke, važno je pronaći pravu količinu entrainera za dobro odvajanje.
Azeotropna destilacija u praksi
Entrainers u azeotropskoj destilaciji
Budući da sa vodom može formirati azeotrop niskog ključanja, benzen se često koristio kao unos u azeotropnu destilaciju.
Toluen je ipak bolji od benzena, jer benzen može izazvati rak.
Entraner radi dobro ako se može kombinovati sa jednom od komponenti u mešavini hrane za stvaranje novog azeotropa.
Ovo mijenja relativnu volatilnost komponenti i omogućava njihovo razdvajanje.
Entrainer bi se trebao lako odvojiti od proizvoda koji želite, a možete ga vratiti destilacijom, dekantacijom ili nekom drugom metodom.
U azeotropnoj destilaciji, efekat prevelikog unosa zavisi od sistema koji se koristi.
Kada se doda previše entrenera, količina utrošene energije raste jer se dodatni entrainer mora odvojiti od željenog proizvoda.
To može povećati troškove izrade proizvoda, a može i smanjiti njegovu kvalitetu.
Ponekad previše entrainera može uzrokovati stvaranje trećeg azeotropa, što može otežati proces odvajanja.
S druge strane, ako koristite premalo entrainera, proizvod možda neće biti potpuno odvojen ili možda neće biti tako čist.
Dakle, treba koristiti pravu količinu entrenera da bi se postigao potreban nivo odvajanja i čistoće uz najmanju količinu energije i troškova.
Duboka eutektička otapala (DES) postaju sve popularnija kao uvodnici u azeotropnoj destilaciji jer su bolja za okoliš od tradicionalnih otapala.
Azeotropne mješavine kao što su benzen-cikloheksan i acetonitril-voda se lako odvajaju pomoću DES-a.
DES se također može koristiti u tehnici koja se zove "ekstraktivna destilacija", koja je slična destilaciji i uključuje dodavanje otapala kako bi se izvukao jedan od dijelova mješavine hrane.
Azeotropna destilacija u usporedbi s destilacijom parom
Destilacijom s parom, materijali osjetljivi na toplinu poput prirodnih aromatičnih spojeva se odvajaju od organskih materijala.
Azeotropna destilacija se, s druge strane, koristi za odvajanje dijelova azeotropne smjese.
Smjese koje su azeotropne teško je odvojiti tradicionalnom destilacijom jer njihove tačke ključanja ostaju iste, a pare su iste kao i tečna smjesa.
Budući da se parna destilacija koristi za odvajanje materijala koji su osjetljivi na toplinu, teško je reći koja je azeotropna temperatura vode i toluena.
Toluen i voda, s druge strane, formiraju azeotrop na 84,1°C koji se sastoji od 22,85% vode i 77,15% toluena.
Budući da djeluje kao jedno jedinjenje, mješavina toluena i vode s ovim sastavom ne može se dalje odvojiti jednostavnom destilacijom.
Ovu smjesu možete razdvojiti korištenjem azeotropne destilacije s entranerom ili ekstrakcijske destilacije s rastvaračem.
Video: Azeotropno pomicanje i razdvajanje
Savjet: Uključite dugme za titl ako vam je potrebno. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu za podešavanja, ako niste upoznati sa engleskim jezikom. Možda ćete morati prvo kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Slučajevi upotrebe
| Koristi se u: | Opis: |
|---|---|
| Voda za čišćenje | Azeotropna destilacija se često koristi za čišćenje vode, posebno u industriji poluvodiča i elektronike gdje je potrebna ultra čista voda. Uz pomoć entrainera, azeotropna destilacija može napraviti vodu s vrlo malo nečistoća koja se može koristiti u osjetljivim situacijama. |
| Regeneracija otapala | Azeotropna destilacija se koristi za odvajanje otapala iz reakcionih smjesa. Ovo omogućava da se skupi ili teško dostupni rastvarači pokupe i ponovo koriste. Na primjer, azeotropna destilacija se može koristiti za odvajanje etanola od vode, koji se zatim može koristiti za proizvodnju biogoriva ili u druge industrijske svrhe. |
| Ekstrakcija esencijalnog ulja | Popularan način dobivanja eteričnih ulja iz biljaka je korištenje azeotropne destilacije. Koristeći entrainer, azeotropna destilacija može dobiti više eteričnih ulja iz biljaka nego tradicionalna destilacija s parom. To znači da će ulja biti kvalitetnija i dati veći prinos. |
| Prečišćavanje polimera | Azeotropna destilacija se može koristiti za uklanjanje nečistoća iz polimera koje bi mogle promijeniti njihova svojstva ili koliko dobro rade. Na primjer, azeotropna destilacija se može koristiti za čišćenje polistirena uklanjanjem svih zaostalih monomera i drugih nečistoća koje bi mogle promijeniti način na koji polimer djeluje. |
| Farmaceutska proizvodnja | Azeotropna destilacija se često koristi za odvajanje i čišćenje reakcionih smeša tokom proizvodnje farmaceutskih proizvoda. Na primjer, azeotropna destilacija se može koristiti za odvajanje i čišćenje reakcijskih smjesa u proizvodnji antibiotika, što rezultira proizvodima visoke čistoće. |
Zaključak
Zaključno, azeotropna destilacija je koristan način odvajanja složenih smjesa na njihove čiste dijelove.
To je moćan alat za inženjere i naučnike zbog svoje jedinstvene sposobnosti da brzo napravi čiste komponente.
Ali, kao i svaka metoda odvajanja, ona ima svoja ograničenja i potrebno je pažljivo razmišljanje o sastavu mješavine, izboru unosa i uslovima procesa kako bi dobro funkcionirao.
Dok nastavljate da istražujete mogućnosti azeotropne destilacije, imajte na umu da ovaj proces nije samo tehnički izazov, već i prilika za kreativno rješavanje problema i nove ideje.
Ako razmišljate o azeotropnoj destilaciji na pravi način, to može dovesti do novih inženjerskih otkrića i ideja.
Zato budite otvoreni i isprobajte nove stvari. Postoji mnogo opcija.
Podijelite na…
