Azeotropisk Destillation: Adskillelse Af Flydende Blandinger

Som ingeniør eller ingeniørstuderende leder du altid efter måder at adskille og rense flydende blandinger på, som er hurtige og nemme.

Men du kender måske ikke til azeotrop destillation.

Denne proces adskiller ikke kun blandinger, men den kan også lave rene komponenter, hvilket er svært at gøre med traditionelle destillationsmetoder.

Azeotropisk destillation er en kompliceret, men interessant proces, der er blevet meget vigtig i ingeniør- og kemisk industri.

I denne artikel vil jeg forklare, hvordan azeotrop destillation fungerer, samt dens fordele, ulemper og almindelige anvendelser.

Med denne viden vil du være i stand til at tage dine separationsteknikker til næste niveau.

Introduktion til Azeotropic Destillation

Formel definition:

En proces, hvorved en flydende blanding adskilles i rene komponenter ved hjælp af et yderligere stof eller opløsningsmiddel.

Azeotrop destillation er en måde at adskille delene af en blanding ved at lave en azeotrop, som er en blanding af de dele, der koger ved samme temperatur.

Destillation kan ikke bruges til at adskille denne slags blanding i dens dele, fordi alle delene har den samme mængde damp og væske.

Ekstraktiv destillation er på den anden side en lignende måde at adskille blandinger på, men i stedet for en entrainer bruger den et opløsningsmiddel til at adskille blandingerne.

Azeotropisk destillation

Ved azeotrop destillation bruges en entrainer til at ændre hvor flygtige de forskellige dele af blandingen er, hvilket gør det muligt at adskille dem.

Ved at kombinere en eller flere af komponenterne med entraineren laves en ny azeotrop.

Denne nye azeotrop kan adskilles fra den oprindelige blanding ved fraktioneret destillation.

Entraineren er normalt en del af blandingen, der har et lavt kogepunkt og en høj relativ flygtighed sammenlignet med de andre dele.

Hvis blandingen danner en minimumkogende azeotrop, som er den azeotrop med det laveste kogepunkt, vil entraineren kombinere med den mere flygtige del af den oprindelige blanding for at danne en azeotrop.

I dette tilfælde fordamper den azeotrop med det laveste kogepunkt, der dannes, når entraineren tilsættes, først.

Dette kaldes destillatet.

Hvis ikke, hvis der dannes en azeotrop med maksimalt kogepunkt med entraineren, vil den mere flygtige del af den oprindelige blanding fordampe først.

Dette gør det muligt for fraktioneret destillation at adskille delene af den oprindelige blanding.

Ekstraktiv destillation

Ved ekstraktiv destillation skal hver blanding bruge et andet separationsopløsningsmiddel, og opløsningsmidlerne bør ikke have tendens til at danne en azeotrop.

Opløsningsmidlet ændrer blandingens damp-væske ligevægt, hvilket gør det muligt at adskille delene.

Ekstraktiv destillation kan bruges til at adskille blandinger, der har tendens til at danne azeotroper, hvilket ikke er muligt med azeotropisk destillation.

Konstant kogende blandinger

En blanding, der koger med en konstant hastighed, også kaldet en "azeotrop" blanding, har virkninger på fraktioneret destillation af mindre end ideelle blandinger (azeotroper).

Hvis Raoults lov bliver brudt på en positiv måde, laver den en damptrykskurve med en maksimal værdi, der ikke er ren A eller ren B.

Hvis disse blandinger har meget damp, vil deres kogepunkter være lave.

Molekylerne bevæger sig let rundt, og fraktioneret destillation alene er ikke nok til at få ren ethanol, fordi det stadig vil have vand og andre urenheder.

Kunsten at komplicerede adskillelser: Udforskning af Azeotropisk destillation

Stadig svært at få og svært at forstå? Lad mig ændre synspunktet lidt:

Er du træt af de samme gamle kedelige destillationsprocesser, der bare adskiller blandinger uden at tilføje noget ekstra flair? Vil du gøre dine adskillelsesteknikker sværere og mere forvirrende, end de behøver at være? Nå, jeg har svaret til dig! Azeotropisk destillation er en proces, der tager enkel adskillelse og forvandler den til en labyrint af ekstra stoffer og opløsningsmidler.

Hvorfor bruge kun én ting til at adskille blandinger, når du kan bruge to eller tre? Hvem ønsker at være enkel, når du kan være kompliceret? Azeotropisk destillation: Nogle gange er den bedste måde at rense dine dele på at gøre processen så kompliceret som muligt.

OK, det var bare en joke forklædt som en tv-reklame. Lad os nu gå tilbage til forklaringen.

Den azeotropiske destillationsproces

Azeotropisk destillation har en masse fordele i forhold til andre måder at adskille ting på, som hvor nemt det er at adskille entraineren og det produkt, du ønsker, hvor nemt det er at bruge, hvor lidt energi det bruger, og hvor billigt det er.

Typer af entrainer

Til azeotropisk destillation er der tre typer entrainere: homogene, heterogene og ekstraktive.

Homogene entrainere kan blandes med alle foderets komponenter, men heterogene entrainere danner to flydende faser, der ikke kan blandes.

Ekstraktive medbringere danner ikke en azeotrop med nogen af ​​foderkomponenterne.

I stedet fjerner de kun de mere polære eller mindre polære komponenter baseret på deres polaritet.

Homogen og heterogen Azeotropisk destillation

Der er to typer azeotrop destillation, kaldet homogen og heterogen, der afhænger af, hvordan entraineren interagerer med foderblandingen.

Homogen azeotrop destillation er lettere at bruge og mere effektiv end heterogen azeotrop destillation, fordi entraineren kan blandes med alle komponenterne i foderet.

Heterogen azeotrop destillation bruger derimod en entrainer, der ikke kan blandes med nogen af ​​foderblandingens dele.

Dette kan medføre, at søjlen svigter med små trykændringer, eller at karaffelen lukker ned med små utætheder.

Så det er mere påvirket af, hvordan det køres end homogen azeotrop destillation.

Begrænsninger ved Azeotropisk destillation

Azeotropisk destillation har nogle fordele, men det har også nogle problemer.

Nogle opløsninger kan ikke adskilles så godt ved destillation, hvis de har azeotroper i deres damp-væske ligevægtstilstande.

Også valget af azeotropisk middel kan have en stor effekt på processen og kan, hvis det ikke håndteres korrekt, forurene miljøet.

Brug af azeotrop destillation bruger også stadig meget energi, og det giver muligvis ikke altid det renhedsniveau, der er nødvendigt for målprodukterne.

Anvendelser af Azeotropisk destillation

Dehydrering af ethanol

En af de mest kendte måder, azeotropisk destillation bruges på, er at fjerne vand fra blandinger af ethanol og vand.

Den azeotrope blanding går til den sidste kolonne, som er hvor azeotrop destillation sker.

Tidligere brugte man mange forskellige entrainers til dette, men benzen blev brugt mest, indtil det viste sig at forårsage kræft.

Det meste af tiden bruges cyclohexan til at bryde ethanol-vand-azeotropen i moderne videnskab.

Denne proces er meget vigtig i brændstofethanolindustrien, hvor der skal tages vand ud af ethanol for at forhindre motorer i at gå i stykker og for at øge mængden af ​​ethanol i brændstofblandinger.

Heterogen Azeotropisk destillation

Tilføjelse af en entrainer, der laver en separat fase, er en del af en undergruppe af industrielle azeotropiske destillationsmetoder.

I lighed med ekstraktiv destillation kaldes denne proces med at tilføje en entrainer, der laver en ny fase, entrainment.

En almindelig måde at bruge denne metode på er at blande benzen med vand og ethanol for at lave en ny heterogen azeotrop med et lavere kogepunkt, som kan adskilles på sædvanlig måde.

Denne metode er især nyttig til at fjerne urenheder i organiske opløsningsmidler, rense æteriske olier og få kulbrinter tilbage.

Andre anvendelser

Azeotropisk destillation har en række anvendelser i industrien udover dehydrering af ethanol og heterogen azeotrop destillation, såsom:

• Isomerer, som har næsten de samme fysiske og kemiske egenskaber, kan adskilles ved hjælp af azeotrop destillation.
• Azeotropisk destillation bruges i den farmaceutiske, kemiske og polymere industri for at få opløsningsmidler tilbage fra affaldsstrømme.
• Sure gasser tages ud af naturgasstrømme ved hjælp af en proces kaldet azeotrop destillation.
• Adskillelse af æteriske olier: Azeotropisk destillation bruges til at adskille og rense æteriske olier fra plantemateriale.
• Fjernelse af vand fra opløsningsmidler: Azeotropisk destillation bruges i den kemiske og farmaceutiske industri til at fjerne vand fra opløsningsmidler.

Udfordringer i Azeotropic Destillation

Azeotropisk destillation er en god måde at adskille azeotropiske blandinger på, men det kommer med nogle udfordringer, som skal håndteres for at få de bedste resultater.

Valg af entrainer:

I syntesen og det konceptuelle design af AD-processer er valget af en entrainer meget vigtigt, fordi det bestemmer rækkefølgen af ​​adskillelse.

Entraineren skal danne en stærk azeotrop med en af ​​blandingens komponenter og være let at adskille fra det produkt, du ønsker.

Valget af entrainer påvirker produktets kvalitet og renhed, og hvis det ikke bruges rigtigt, kan det også forurene miljøet.

Overskydende Entrainers effekter:

Tilsætning af en overskydende mængde entrainer kan medføre en stigning i energiforbruget, da den ekstra entrainer skal adskilles fra det ønskede produkt.

Dette kan øge omkostningerne ved at fremstille produktet og kan også forringe dets kvalitet.

I nogle tilfælde kan et overskud af entrainer føre til dannelsen af ​​en tredje azeotrop, hvilket kan komplicere separationsprocessen.

Utilstrækkelig entrainer:

Hvis du bruger for lidt entrainer, er produktet muligvis ikke helt adskilt eller ikke så rent.

Så ved azeotrop destillation bør mængden af ​​entrainer optimeres, så det ønskede niveau af adskillelse og renhed kan nås med den mindste mængde energi og omkostninger.

Hvordan Azeotroper er lavet:

Når en entrainer ændrer den relative flygtighed af en azeotrop blanding, danner den enten en maksimumkogende eller minimumkogende azeotrop.

Tilføjelse af en entrainer kan yderligere øge renheden af ​​en azeotrop komponent.

Men hvis du vælger for meget eller for lidt entrainer, kan det ændre, hvor godt separationsprocessen fungerer.

Efter det azeotropiske punkt:

Det er muligt at destillere en azeotrop blanding ud over dets azeotrope punkt, men denne proces anvender alternative omkostningstunge separationsteknikker som tryksvingningsdestillation.

I stedet for at forsøge at destillere forbi det azeotrope punkt, er det vigtigt at finde den rigtige mængde entrainer for at få en god adskillelse.

Azeotropisk destillation i praksis

Entrainere i Azeotropic Destillation

Fordi det kan danne en lavtkogende azeotrop med vand, blev benzen ofte brugt som en entrainer i azeotrop destillation.

Toluen er dog bedre end benzen, fordi benzen kan forårsage kræft.

En entrainer fungerer godt, hvis den kan kombineres med en af ​​komponenterne i foderblandingen for at lave en ny azeotrop.

Dette ændrer komponenternes relative flygtighed og gør det muligt at adskille dem.

Entraineren skal være let at adskille fra det produkt, du ønsker, og du kan få det tilbage ved destillering, dekantering eller en anden metode.

Ved azeotrop destillation afhænger effekten af ​​for meget entrainer af det anvendte system.

Når der tilsættes for meget entrainer, stiger mængden af ​​brugt energi, fordi den ekstra entrainer skal adskilles fra det ønskede produkt.

Dette kan øge omkostningerne ved at fremstille produktet og kan også forringe dets kvalitet.

Nogle gange kan for meget entrainer få en tredje azeotrop til at dannes, hvilket kan gøre processen med at adskille mere vanskelig.

På den anden side, hvis du bruger for lidt entrainer, er produktet måske ikke helt adskilt eller ikke så rent.

Så den rigtige mængde entrainer skal bruges for at opnå det nødvendige niveau af adskillelse og renhed med den mindste mængde energi og omkostninger.

Dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) bliver mere populære som entrainere i azeotropisk destillation, fordi de er bedre for miljøet end traditionelle opløsningsmidler.

Azeotropiske blandinger som benzen-cyclohexan og acetonitril-vand er nemme at adskille med DES.

DES kan også bruges i en teknik kaldet "ekstraktiv destillation", som ligner destillation og involverer tilsætning af et opløsningsmiddel for at få en af ​​foderblandingens dele ud.

Azeotropisk destillation i sammenligning med dampdestillation

Med dampdestillation adskilles varmefølsomme materialer som naturlige aromatiske forbindelser fra organiske materialer.

Azeotropisk destillation bruges på den anden side til at adskille delene af en azeotrop blanding.

Blandinger, der er azeotrope, er svære at adskille med traditionel destillation, fordi deres kogepunkter forbliver de samme, og dampene er de samme som den flydende blanding.

Da dampdestillation bruges til at adskille materialer, der er følsomme over for varme, er det svært at sige, hvad den azeotropiske temperatur af vand og toluen er.

Toluen og vand danner på den anden side en azeotrop ved 84,1°C, der består af 22,85% vand og 77,15 vægt% toluen.

Da det virker som en enkelt forbindelse, kan en blanding af toluen og vand med denne sammensætning ikke adskilles yderligere ved simpel destillation.

Du kan adskille denne blanding ved at bruge azeotrop destillation med en entrainer eller ekstraktiv destillation med et opløsningsmiddel.

Video: Azeotrope forskydning og adskillelse

Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det. Vælg "automatisk oversættelse" i indstillingsknappen, hvis du ikke er fortrolig med det engelske sprog. Du skal muligvis først klikke på sproget for videoen, før dit yndlingssprog bliver tilgængeligt til oversættelse.

Brug cases

Brugt i:	Beskrivelse:
Rensevand	Azeotropisk destillation bruges ofte til at rense vand, især i halvleder- og elektronikindustrien, hvor der er behov for ultrarent vand. Ved hjælp af en entrainer kan azeotropisk destillation lave vand med meget få urenheder, der kan bruges i følsomme situationer.
Genvinding af opløsningsmidler	Azeotropisk destillation bruges til at adskille opløsningsmidler fra reaktionsblandinger. Dette lader dyre eller svære at finde opløsningsmidler genvindes og bruges igen. For eksempel kan azeotropisk destillation bruges til at adskille ethanol fra vand, som derefter kan bruges til fremstilling af biobrændstoffer eller til andre industrielle formål.
Udvinding af æterisk olie	En populær måde at få æteriske olier fra planter på er at bruge azeotropisk destillation. Ved hjælp af en entrainer kan azeotropisk destillation få flere æteriske olier ud af planter end traditionel dampdestillation. Det betyder, at olierne vil være af højere kvalitet og yde mere.
Polymer rensning	Azeotropisk destillation kan bruges til at fjerne urenheder fra polymerer, der kan ændre deres egenskaber eller hvor godt de virker. For eksempel kan azeotrop destillation bruges til at rense polystyren ved at slippe af med eventuelle rester af monomerer og andre urenheder, der kan ændre den måde, polymeren fungerer på.
Farmaceutisk produktion	Azeotropisk destillation bruges ofte til at adskille og rense reaktionsblandinger under produktionen af ​​lægemidler. For eksempel kan azeotrop destillation bruges til at adskille og rense reaktionsblandinger ved fremstilling af antibiotika, hvilket resulterer i produkter med høj renhed.

Konklusion

Afslutningsvis er azeotrop destillation en nyttig måde at adskille komplicerede blandinger i deres rene dele.

Det er et kraftfuldt værktøj for ingeniører og videnskabsmænd på grund af dets unikke evne til at lave rene komponenter hurtigt.

Men som enhver separationsmetode har den sine begrænsninger og kræver omhyggelig overvejelse af blandingens sammensætning, valget af entrainer og procesbetingelserne for at fungere godt.

Mens du fortsætter med at se på mulighederne for azeotrop destillation, skal du huske på, at denne proces ikke kun er en teknisk udfordring, men også en mulighed for kreativ problemløsning og nye ideer.

Hvis du tænker på azeotropisk destillation på den rigtige måde, kan det føre til nye tekniske opdagelser og ideer.

Så hold et åbent sind og prøv nye ting. Der er mange muligheder.