Jako inženýr nebo student inženýrství vždy hledáte způsoby, jak rychle a snadno oddělit a vyčistit tekuté směsi.
Možná jste ale nevěděli o azeotropické destilaci.
Nejen, že tento proces odděluje směsi, ale může také vyrábět čisté složky, což je těžké udělat s tradičními destilačními metodami.
Azeotropní destilace je komplikovaný, ale zajímavý proces, který se stal velmi důležitým ve strojírenském a chemickém průmyslu.
V tomto článku vysvětlím, jak azeotropní destilace funguje, stejně jako její výhody, nevýhody a běžné použití.
S těmito znalostmi budete schopni posunout své separační techniky na další úroveň.
Úvod do azeotropické destilace
Formální definice:
Proces, při kterém se kapalná směs rozdělí na čisté složky pomocí další látky nebo rozpouštědla.
Azeotropní destilace je způsob, jak oddělit části směsi vytvořením azeotropu, což je směs částí, které se vaří při stejné teplotě.
K rozdělení tohoto druhu směsi na části nelze použít destilaci, protože všechny části mají stejné množství páry a kapaliny.
Extrakční destilace je naproti tomu podobným způsobem jako separace směsí, ale místo unášeče používá k oddělení směsí rozpouštědlo.
Azeotropní destilace
Při azeotropické destilaci se unášeč používá ke změně těkavosti různých částí směsi, což umožňuje jejich oddělení.
Kombinací jedné nebo více složek s unášečem se vytvoří nový azeotrop.
Tento nový azeotrop lze oddělit od původní směsi frakční destilací.
Unášeč je obvykle část směsi, která má ve srovnání s ostatními částmi nízký bod varu a vysokou relativní těkavost.
Pokud směs tvoří azeotrop s minimálním bodem varu, což je azeotrop s nejnižším bodem varu, spojí se unášeč s těkavější částí původní směsi za vzniku azeotropu.
V tomto případě se nejprve odpaří azeotrop s nejnižším bodem varu, který se vytvoří při přidání unášeče.
Tomu se říká destilát.
Pokud ne, pokud se s unášečem vytvoří azeotrop s maximálním bodem varu, odpaří se nejprve těkavější část původní směsi.
To umožňuje frakční destilaci oddělit části původní směsi.
Extrakční destilace
Při extrakční destilaci musí každá směs používat jiné separační rozpouštědlo a rozpouštědla by neměla mít tendenci tvořit azeotrop.
Rozpouštědlo mění rovnováhu směsi pára-kapalina, což umožňuje oddělit části.
Extrakční destilací lze oddělit směsi, které mají tendenci tvořit azeotropy, což u azeotropické destilace není možné.
Směsi se stálým varem
Směs, která se vaří konstantní rychlostí, také nazývaná "azeotropní" směs, má účinky na frakční destilaci méně než ideálních směsí (azeotropů).
Pokud je Raoultův zákon porušen kladným způsobem, vytvoří se křivka tlaku par s maximální hodnotou, která není čisté A nebo čisté B.
Pokud mají tyto směsi hodně páry, budou jejich body varu nízké.
Molekuly se snadno pohybují a samotná frakční destilace nestačí k získání čistého etanolu, protože bude stále obsahovat vodu a další nečistoty.
Umění složitých separací: Zkoumání azeotropické destilace
Stále těžké se dostat a těžko pochopit? Dovolím si trochu změnit úhel pohledu:
Už vás nebaví ty staré nudné destilační procesy, které pouze oddělují směsi, aniž by přidaly nějaký extra vkus? Chcete, aby byly vaše separační techniky těžší a matoucí, než je nutné? No, mám pro vás odpověď! Azeotropní destilace je proces, který vyžaduje jednoduchou separaci a mění ji v bludiště dalších látek a rozpouštědel.
Proč používat k oddělení směsí jen jednu věc, když můžete použít dvě nebo tři? Kdo chce být jednoduchý, když vy můžete být komplikovaní? Azeotropní destilace: Někdy je nejlepším způsobem, jak vyčistit vaše díly, aby byl proces co nejkomplikovanější.
Dobře, to byl jen vtip maskovaný jako televizní reklama. Nyní se vraťme k vysvětlení.
Proces azeotropní destilace
Azeotropní destilace má mnoho výhod oproti jiným způsobům oddělení věcí, například jak snadné je oddělit unášeč a požadovaný produkt, jak snadné je použití, jak málo energie spotřebuje a jak levné je.
Typy Entrainers
Pro azeotropní destilaci existují tři typy unášečů: homogenní, heterogenní a extrakční.
Homogenní snášedla se mohou mísit se všemi složkami krmiva, ale heterogenní snášedla tvoří dvě kapalné fáze, které se nemohou mísit.
Extrakční unášeče nevytvářejí azeotrop s žádnou ze složek krmiva.
Místo toho odstraňují pouze více polární nebo méně polární složky na základě jejich polarity.
Homogenní a heterogenní azeotropní destilace
Existují dva typy azeotropické destilace, nazývané homogenní a heterogenní, které závisí na tom, jak interaguje snášecí činidlo s krmnou směsí.
Homogenní azeotropní destilace je snadněji použitelná a účinnější než heterogenní azeotropní destilace, protože unášeč se může mísit se všemi složkami v krmivu.
Heterogenní azeotropní destilace naproti tomu využívá unášeče, který se nemůže mísit s žádnou z částí krmné směsi.
To může způsobit selhání kolony s malými změnami tlaku nebo vypnutí dekantéru s malými úniky.
Je tedy více ovlivněna tím, jak probíhá, než homogenní azeotropní destilací.
Omezení azeotropické destilace
Azeotropní destilace má určité výhody, ale má také určité problémy.
Některé roztoky nelze oddělit také destilací, pokud mají azeotropy v rovnovážném stavu pára-kapalina.
Také výběr azeotropního činidla může mít velký vliv na proces a pokud se s ním nezachází správně, může znečišťovat životní prostředí.
Také použití azeotropické destilace stále spotřebovává mnoho energie a nemusí vždy produkovat úroveň čistoty, která je potřebná pro cílové produkty.
Aplikace azeotropní destilace
Dehydratace ethanolu
Jedním z nejznámějších způsobů použití azeotropické destilace je odstranění vody ze směsí ethanolu a vody.
Azeotropní směs jde do poslední kolony, kde probíhá azeotropní destilace.
V minulosti se k tomu používalo mnoho různých unášečů, ale nejvíce se používal benzen, dokud se nezjistilo, že způsobuje rakovinu.
Většinu času se v moderní vědě k rozbití azeotropu ethanol-voda používá cyklohexan.
Tento proces je velmi důležitý v průmyslu etanolu v palivech, kde je třeba z etanolu odebrat vodu, aby se zabránilo porušování motorů a aby se zvýšilo množství etanolu v palivových směsích.
Heterogenní azeotropní destilace
Přidání unášeče, který vytvoří samostatnou fázi, je součástí podskupiny metod průmyslové azeotropické destilace.
Podobně jako u extrakční destilace se tento proces přidávání unášeče, který vytváří novou fázi, nazývá strhávání.
Běžným způsobem použití této metody je smíchání benzenu s vodou a ethanolem za vzniku nového heterogenního azeotropu s nižším bodem varu, který lze oddělit obvyklým způsobem.
Tato metoda je zvláště užitečná pro zbavení se nečistot v organických rozpouštědlech, čištění esenciálních olejů a zpětného získávání uhlovodíků.
Jiné použití
Azeotropní destilace má řadu využití v průmyslu kromě dehydratace ethanolu a heterogenní azeotropní destilace, jako jsou:
- Izomery, které mají téměř stejné fyzikální a chemické vlastnosti, lze oddělit pomocí azeotropické destilace.
- Azeotropní destilace se používá ve farmaceutickém, chemickém a polymerním průmyslu k získání rozpouštědel zpět z odpadních toků.
- Kyselé plyny se odebírají z proudů zemního plynu pomocí procesu zvaného azeotropní destilace.
- Separace esenciálních olejů: Azeotropní destilace se používá k oddělení a čištění esenciálních olejů z rostlinné hmoty.
- Odstranění vody z rozpouštědel: Azeotropní destilace se používá v chemickém a farmaceutickém průmyslu k odstranění vody z rozpouštědel.
Výzvy v azeotropické destilaci
Azeotropní destilace je dobrý způsob, jak oddělit azeotropní směsi, ale přináší některé problémy, které je třeba vyřešit, aby se dosáhlo nejlepších výsledků.
Výběr trenéra:
Při syntéze a koncepčním návrhu procesů AD je výběr unášeče velmi důležitý, protože určuje pořadí separace.
Unášeč musí tvořit silný azeotrop s jednou ze složek směsi a musí být snadno oddělitelný od požadovaného produktu.
Volba unášeče ovlivňuje kvalitu a čistotu produktu a pokud není správně používán, může také znečišťovat životní prostředí.
Exces Entrainer's Effects:
Přidání nadměrného množství unášeče může způsobit zvýšení spotřeby energie, protože další unášeč musí být oddělen od požadovaného produktu.
To může zvýšit náklady na výrobu produktu a může také snížit jeho kvalitu.
V některých případech může přebytek unášeče vést k vytvoření třetího azeotropu, což může komplikovat separační proces.
Nedostatečný Entrainer:
Pokud použijete příliš málo unášeče, produkt nemusí být zcela oddělen nebo nemusí být tak čistý.
Takže při azeotropické destilaci by mělo být množství unášeče optimalizováno tak, aby bylo možné dosáhnout požadované úrovně separace a čistoty s co nejmenším množstvím energie a nákladů.
Jak se vyrábí azeotropy:
Když unášeč změní relativní těkavost azeotropní směsi, vytvoří buď maximálně vroucí nebo minimální vroucí azeotrop.
Přidání unášeče může dále zvýšit čistotu azeotropní složky.
Ale pokud zvolíte příliš mnoho nebo příliš málo unášeče, může to změnit, jak dobře funguje separační proces.
Za azeotropním bodem:
Destilace azeotropní směsi za její azeotropní bod je možná, ale tento proces využívá alternativních, nákladných separačních technik, jako je tlaková destilace.
Místo snahy o destilaci za azeotropní bod je důležité najít správné množství unášeče, aby se dosáhlo dobré separace.
Azeotropní destilace v praxi
Unášeče v azeotropické destilaci
Vzhledem k tomu, že může tvořit nízkovroucí azeotrop s vodou, byl benzen často používán jako unášeč při destilaci azeotropu.
Toluen je však lepší než benzen, protože benzen může způsobit rakovinu.
Unášeč funguje dobře, pokud se může spojit s jednou ze složek krmné směsi a vytvořit nový azeotrop.
Tím se změní relativní těkavost složek a umožní se jejich oddělení.
Unášeč by měl být snadno oddělitelný od požadovaného produktu a můžete jej získat zpět destilací, dekantací nebo jinou metodou.
Při azeotropické destilaci závisí účinek příliš velkého množství unášeče na použitém systému.
Když se přidá příliš mnoho unášeče, množství použité energie se zvýší, protože další unášeč musí být oddělen od požadovaného produktu.
To může zvýšit náklady na výrobu produktu a může také snížit jeho kvalitu.
Někdy může příliš mnoho unášeče způsobit vytvoření třetího azeotropu, což může ztížit proces oddělování.
Na druhou stranu, pokud použijete příliš málo unášeče, produkt nemusí být zcela oddělen nebo nemusí být tak čistý.
Proto by mělo být použito správné množství unášeče, aby se dosáhlo potřebné úrovně separace a čistoty s co nejmenším množstvím energie a nákladů.
Hluboká eutektická rozpouštědla (DES) jsou stále populárnější jako unášeče v azeotropické destilaci, protože jsou lepší pro životní prostředí než tradiční rozpouštědla.
Azeotropní směsi jako benzen-cyklohexan a acetonitril-voda se snadno oddělují pomocí DES.
DES lze také použít v technice zvané „extrakční destilace“, která je podobná destilaci a zahrnuje přidání rozpouštědla, aby se jedna z částí krmné směsi dostala ven.
Azeotropní destilace ve srovnání s destilací s vodní párou
Při destilaci vodní párou se materiály citlivé na teplo, jako jsou přírodní aromatické sloučeniny, oddělují od organických materiálů.
Azeotropní destilace se na druhé straně používá k oddělení částí azeotropní směsi.
Směsi, které jsou azeotropní, je obtížné oddělit tradiční destilací, protože jejich body varu zůstávají stejné a páry jsou stejné jako kapalná směs.
Protože destilace vodní párou se používá k oddělení materiálů citlivých na teplo, je těžké říci, jaká je azeotropní teplota vody a toluenu.
Toluen a voda na druhé straně tvoří azeotrop při 84,1 °C, který se skládá z 22,85 % vody a 77,15 % hmotn. Toluenu.
Protože působí jako jediná sloučenina, směs toluenu a vody s tímto složením nelze dále oddělit jednoduchou destilací.
Tuto směs můžete oddělit pomocí azeotropické destilace s unášečem nebo extrakční destilací s rozpouštědlem.
Video: Posun a separace azeotropu
Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků. Pokud neznáte anglický jazyk, vyberte v tlačítku nastavení „automatický překlad“. Než bude váš oblíbený jazyk dostupný pro překlad, možná budete muset nejprve kliknout na jazyk videa.
Případy užití
| Použito v: | Popis: |
|---|---|
| Čisticí voda | Azeotropní destilace se často používá k čištění vody, zejména v polovodičovém a elektronickém průmyslu, kde je potřeba ultra čistá voda. Pomocí unášeče lze azeotropní destilací vyrobit vodu s velmi malým množstvím nečistot, které lze použít v citlivých situacích. |
| Regenerace rozpouštědla | Azeotropická destilace se používá k oddělení rozpouštědel z reakčních směsí. To umožňuje získat a znovu použít drahá nebo obtížně dostupná rozpouštědla. Například azeotropní destilace může být použita k oddělení etanolu od vody, který pak může být použit k výrobě biopaliv nebo pro jiné průmyslové účely. |
| Extrakce esenciálního oleje | Oblíbeným způsobem, jak získat esenciální oleje z rostlin, je použití azeotropní destilace. Azeotropní destilací lze pomocí unášeče dostat z rostlin více esenciálních olejů než tradiční parní destilace. To znamená, že oleje budou kvalitnější a více vynesou. |
| Čištění polymerů | Azeotropickou destilaci lze použít k odstranění nečistot z polymerů, které by mohly změnit jejich vlastnosti nebo jak dobře fungují. Například azeotropickou destilaci lze použít k čištění polystyrenu odstraněním všech zbytkových monomerů a dalších nečistot, které by mohly změnit způsob, jakým polymer funguje. |
| Farmaceutická výroba | Azeotropní destilace se často používá k oddělení a čištění reakčních směsí během výroby léčiv. Například azeotropní destilace může být použita k oddělení a čištění reakčních směsí při výrobě antibiotik, což vede k vysoce čistým produktům. |
Závěr
Závěrem lze říci, že azeotropní destilace je užitečný způsob, jak rozdělit složité směsi na jejich čisté části.
Je to výkonný nástroj pro inženýry a vědce díky své jedinečné schopnosti rychle vyrábět čisté komponenty.
Ale jako každá separační metoda má své limity a vyžaduje pečlivé zvážení složení směsi, výběru unášeče a podmínek procesu, aby dobře fungovala.
Při dalším zkoumání možností azeotropické destilace mějte na paměti, že tento proces není jen technickou výzvou, ale také příležitostí pro kreativní řešení problémů a nové nápady.
Pokud uvažujete o azeotropické destilaci správným způsobem, může to vést k novým inženýrským objevům a nápadům.
Mějte proto otevřenou mysl a zkoušejte nové věci. Možností je spousta.
Sdílet na…
