تقطیر آزئوتروپیک: جداسازی مخلوط های مایع

به عنوان یک مهندس یا دانشجوی مهندسی، شما همیشه به دنبال راه هایی برای جداسازی و خالص سازی مخلوط های مایع هستید که سریع و آسان باشد.

اما ممکن است درباره تقطیر آزئوتروپیک ندانید.

این فرآیند نه تنها مخلوط‌ها را جدا می‌کند، بلکه می‌تواند اجزای خالص را نیز بسازد، که انجام این کار با روش‌های تقطیر سنتی دشوار است.

تقطیر آزئوتروپیک فرآیندی پیچیده اما جالب است که در صنایع مهندسی و شیمیایی اهمیت زیادی پیدا کرده است.

در این مقاله نحوه عملکرد تقطیر آزئوتروپیک و همچنین مزایا، معایب و کاربردهای رایج آن را توضیح خواهم داد.

با این دانش، می توانید تکنیک های جداسازی خود را به سطح بالاتری برسانید.

مقدمه ای بر تقطیر آزئوتروپیک

تعریف رسمی:

فرآیندی که در آن یک مخلوط مایع با کمک یک ماده یا حلال اضافی به اجزای خالص جدا می شود.

تقطیر آزئوتروپیک روشی برای جداسازی اجزای یک مخلوط با ساختن آزئوتروپ است که مخلوطی از قطعاتی است که در همان دما می جوشند.

برای جدا کردن این نوع مخلوط به قطعات آن نمی توان از تقطیر استفاده کرد زیرا همه قطعات دارای مقدار یکسانی بخار و مایع هستند.

از سوی دیگر، تقطیر استخراجی روشی مشابه برای جداسازی مخلوط‌ها است، اما به جای حباب، از حلال برای جداسازی مخلوط‌ها استفاده می‌کند.

تقطیر آزئوتروپیک

در تقطیر آزئوتروپیک، برای تغییر میزان فرار قسمت های مختلف مخلوط از یک حباب استفاده می شود که جداسازی آنها را ممکن می سازد.

با ترکیب یک یا چند جزء با حباب، یک آزئوتروپ جدید ساخته می شود.

این آزئوتروپ جدید را می توان با تقطیر جزئی از مخلوط اصلی جدا کرد.

حباب معمولاً بخشی از مخلوط است که دارای نقطه جوش کم و فرار نسبی بالا در مقایسه با سایر قطعات است.

اگر مخلوط یک آزئوتروپ با حداقل جوش را تشکیل دهد، که آزئوتروپ با کمترین نقطه جوش است، حباب با قسمت فرارتر مخلوط اصلی ترکیب می شود و یک آزئوتروپ تشکیل می دهد.

در این حالت، آزئوتروپ با کمترین نقطه جوش که با افزودن حباب تشکیل می شود ابتدا تبخیر می شود.

به این میگن تقطیر.

در غیر این صورت، اگر یک آزئوتروپ با حداکثر نقطه جوش با حباب تشکیل شود، ابتدا قسمت فرارتر مخلوط اصلی تبخیر می شود.

این امکان را برای تقطیر کسری فراهم می کند تا قطعات مخلوط اصلی را جدا کند.

تقطیر استخراجی

در تقطیر استخراجی، هر مخلوط باید از حلال جداسازی متفاوتی استفاده کند و حلال ها نباید تمایل به تشکیل آزئوتروپ داشته باشند.

حلال تعادل بخار-مایع مخلوط را تغییر می دهد که جداسازی قطعات را ممکن می سازد.

از تقطیر استخراجی می توان برای جداسازی مخلوط هایی که تمایل به تشکیل آزئوتروپ دارند استفاده کرد که با تقطیر آزئوتروپی امکان پذیر نیست.

مخلوط های جوش ثابت

مخلوطی که با سرعت ثابتی می جوشد، که به آن مخلوط "آزئوتروپیک" نیز می گویند، بر تقطیر جزئی مخلوط های کمتر از ایده آل (آزئوتروپ) تأثیر می گذارد.

اگر قانون رائول به صورت مثبت شکسته شود، منحنی فشار بخار با حداکثر مقداری می سازد که A خالص یا B خالص نیست.

اگر این مخلوط ها بخار زیادی داشته باشند، نقطه جوش آنها کم می شود.

مولکول ها به راحتی در اطراف حرکت می کنند و تقطیر جزئی به تنهایی برای به دست آوردن اتانول خالص کافی نیست زیرا همچنان دارای آب و سایر ناخالصی ها خواهد بود.

هنر جداسازی های پیچیده: کاوش در تقطیر آزئوتروپیک

هنوز سخت به دست آوردن و سخت به درک؟ اجازه دهید دیدگاه را کمی تغییر دهم:

آیا از همان فرآیندهای تقطیر خسته کننده قدیمی که فقط مخلوط ها را بدون اضافه کردن طعم اضافی جدا می کنند خسته شده اید؟ آیا می خواهید تکنیک های جداسازی خود را سخت تر و گیج کننده تر از آنچه لازم است کنید؟ خوب، من برای شما پاسخ دارم! تقطیر آزئوتروپیک فرآیندی است که جداسازی ساده ای را انجام می دهد و آن را به هزارتویی از مواد و حلال های اضافی تبدیل می کند.

چرا فقط از یک چیز برای جدا کردن مخلوط ها استفاده کنید در حالی که می توانید از دو یا سه استفاده کنید؟ وقتی می توانی پیچیده باشی چه کسی می خواهد ساده باشد؟ تقطیر آزئوتروپیک: گاهی اوقات بهترین راه برای تمیز کردن قطعات این است که این فرآیند را تا حد امکان پیچیده کنید.

خوب، این فقط یک شوخی بود که به عنوان یک تبلیغ تلویزیونی پنهان شده بود. حالا برگردیم به توضیح.

فرآیند تقطیر آزئوتروپیک

تقطیر آزئوتروپیک مزایای زیادی نسبت به روش‌های دیگر برای جدا کردن چیزها دارد، از جمله اینکه چقدر آسان است که مخزن را از محصولی که می‌خواهید جدا کنید، استفاده از آن آسان است، چقدر انرژی مصرف می‌کند و چقدر ارزان است.

انواع اینترینر

برای تقطیر آزئوتروپیک، سه نوع حباب وجود دارد: همگن، ناهمگن و استخراجی.

حباب های همگن می توانند با تمام اجزای خوراک مخلوط شوند، اما حباب های ناهمگن دو فاز مایع را تشکیل می دهند که نمی توانند مخلوط شوند.

حباب های استخراجی با هیچ یک از اجزای خوراک آزئوتروپ نمی سازند.

در عوض، آنها فقط اجزای قطبی تر یا کمتر قطبی را بر اساس قطبیت آنها حذف می کنند.

تقطیر آزئوتروپیک همگن و ناهمگن

دو نوع تقطیر آزئوتروپیک وجود دارد که همگن و ناهمگن نامیده می شوند که به نحوه تعامل محرک با مخلوط خوراک بستگی دارد.

استفاده از تقطیر آزئوتروپیک همگن آسان‌تر و کارآمدتر از تقطیر آزئوتروپیک ناهمگن است، زیرا این ماده می‌تواند با تمام اجزای خوراک مخلوط شود.

از سوی دیگر، تقطیر آزئوتروپیک ناهمگن، از یک حباب استفاده می کند که نمی تواند با هیچ یک از قسمت های مخلوط خوراک مخلوط شود.

این می تواند باعث از کار افتادن ستون با تغییرات کوچک فشار یا خاموش شدن دکانتر با نشتی های کوچک شود.

بنابراین، نحوه اجرای آن بیشتر از تقطیر آزئوتروپیک همگن است.

محدودیت های تقطیر آزئوتروپیک

تقطیر آزئوتروپیک فوایدی دارد، اما مشکلاتی نیز دارد.

برخی از محلول ها در صورتی که دارای آزئوتروپ در حالت تعادل بخار- مایع خود باشند، نمی توانند با تقطیر نیز جدا شوند.

همچنین انتخاب عامل آزئوتروپیک می‌تواند تأثیر زیادی بر فرآیند داشته باشد و در صورت عدم استفاده صحیح، محیط را آلوده کند.

همچنین، استفاده از تقطیر آزئوتروپیک همچنان انرژی زیادی مصرف می کند و ممکن است همیشه سطح خلوص مورد نیاز برای محصولات هدف را تولید نکند.

کاربردهای تقطیر آزئوتروپیک

کم آبی اتانول

یکی از شناخته شده ترین روش های تقطیر آزئوتروپیک، حذف آب از مخلوط اتانول و آب است.

مخلوط آزئوتروپیک به آخرین ستون می رود، جایی که تقطیر آزئوتروپیک اتفاق می افتد.

در گذشته برای این کار از مواد غذایی مختلف استفاده می‌شد، اما تا زمانی که مشخص شد که باعث سرطان می‌شود، بیشتر از بنزن استفاده می‌شد.

بیشتر اوقات، سیکلوهگزان برای شکستن آزئوتروپ اتانول-آب در علم مدرن استفاده می شود.

این فرآیند در صنعت اتانول سوخت بسیار مهم است، جایی که آب باید از اتانول خارج شود تا موتورها خراب نشوند و میزان اتانول در مخلوط سوخت افزایش یابد.

تقطیر آزئوتروپیک ناهمگن

افزودن یک حباب که یک فاز مجزا می سازد، بخشی از زیرمجموعه ای از روش های تقطیر آزئوتروپیک صنعتی است.

مشابه تقطیر استخراجی، این فرآیند افزودن یک حباب که فاز جدیدی را ایجاد می کند، حباب نامیده می شود.

یک روش معمول برای استفاده از این روش، مخلوط کردن بنزن با آب و اتانول برای ایجاد یک آزئوتروپ ناهمگن جدید با نقطه جوش پایین تر است که می تواند به روش معمول جدا شود.

این روش به ویژه برای خلاص شدن از شر ناخالصی های موجود در حلال های آلی، تمیز کردن اسانس ها و بازگرداندن هیدروکربن ها مفید است.

استفاده های دیگر

تقطیر آزئوتروپیک علاوه بر کم آبی اتانول و تقطیر آزئوتروپیک کاربردهای متعددی در صنعت دارد، مانند:

• ایزومرها که خواص فیزیکی و شیمیایی تقریباً یکسانی دارند، می‌توانند با استفاده از تقطیر آزئوتروپیک جدا شوند.
• تقطیر آزئوتروپیک در صنایع دارویی، شیمیایی و پلیمری برای بازگرداندن حلال‌ها از جریان‌های زباله استفاده می‌شود.
• گازهای اسیدی با استفاده از فرآیندی به نام تقطیر آزئوتروپیک از جریان گاز طبیعی خارج می شوند.
• جداسازی اسانس ها: از تقطیر آزئوتروپیک برای جداسازی و تمیز کردن اسانس ها از مواد گیاهی استفاده می شود.
• حذف آب از حلال ها: تقطیر آزئوتروپیک در صنایع شیمیایی و دارویی برای حذف آب از حلال ها استفاده می شود.

چالش‌های تقطیر آزئوتروپیک

تقطیر آزئوتروپیک راه خوبی برای جداسازی مخلوط‌های آزئوتروپیک است، اما با چالش‌هایی همراه است که باید برای به دست آوردن بهترین نتایج با آنها مقابله کرد.

انتخاب ورودی:

در سنتز و طراحی مفهومی فرآیندهای AD، انتخاب یک entrainer بسیار مهم است زیرا ترتیب جداسازی را تعیین می کند.

حباب باید با یکی از اجزای مخلوط یک آزئوتروپ قوی تشکیل دهد و به راحتی از محصول مورد نظر شما جدا شود.

انتخاب حباب بر کیفیت و خلوص محصول تاثیر می گذارد و در صورت عدم استفاده صحیح می تواند محیط را نیز آلوده کند.

اثرات افزودنی اضافه:

افزودن مقدار اضافی حباب می تواند باعث افزایش مصرف انرژی شود، زیرا باید حباب اضافی از محصول مورد نظر جدا شود.

این می تواند هزینه ساخت محصول را افزایش دهد و همچنین ممکن است کیفیت آن را کاهش دهد.

در برخی موارد، بیش از حد حباب ممکن است منجر به تشکیل آزئوتروپ سوم شود که می تواند فرآیند جداسازی را پیچیده کند.

ورودی ناکافی:

اگر از حباب بسیار کم استفاده می کنید، ممکن است محصول کاملاً جدا نشده باشد یا به همان اندازه خالص نباشد.

بنابراین در تقطیر آزئوتروپیک باید میزان حباب را بهینه کرد تا بتوان با کمترین انرژی و هزینه به سطح مطلوب جداسازی و خلوص رسید.

آزئوتروپ ها چگونه ساخته می شوند:

هنگامی که یک حباب فراریت نسبی یک مخلوط آزئوتروپ را تغییر می‌دهد، آزئوتروپ حداکثر جوش یا حداقل جوش را تشکیل می‌دهد.

افزودن یک حباب می تواند خلوص یک جزء آزئوتروپیک را بیشتر افزایش دهد.

اما اگر بیش از حد یا خیلی کم حباب را انتخاب کنید، می تواند نحوه عملکرد فرآیند جداسازی را تغییر دهد.

بعد از نقطه آزئوتروپیک:

تقطیر یک مخلوط آزئوتروپیک فراتر از نقطه آزئوتروپیک آن ممکن است، اما این فرآیند از تکنیک‌های جداسازی پرهزینه جایگزین مانند تقطیر با نوسان فشار استفاده می‌کند.

به جای تلاش برای تقطیر از نقطه آزئوتروپیک، یافتن مقدار مناسب حباب برای جداسازی خوب مهم است.

تقطیر آزئوتروپیک در عمل

مواد افزودنی در تقطیر آزئوتروپیک

از آنجایی که می تواند یک آزئوتروپ با جوش کم با آب تشکیل دهد، بنزن اغلب به عنوان یک محرک در تقطیر آزئوتروپ استفاده می شد.

تولوئن بهتر از بنزن است، زیرا بنزن می تواند باعث سرطان شود.

در صورتی که یک entrainer بتواند با یکی از اجزای موجود در مخلوط خوراک ترکیب شود و یک آزئوتروپ جدید ایجاد کند، به خوبی کار می کند.

این امر نوسانات نسبی اجزا را تغییر می دهد و امکان جداسازی آنها را فراهم می کند.

حباب باید به راحتی از محصول مورد نظر جدا شود و می توانید آن را با تقطیر، آبپاشی یا روش دیگری بازگردانید.

در تقطیر آزئوتروپیک، اثر افزودنی بیش از حد به سیستم مورد استفاده بستگی دارد.

هنگامی که حباب بیش از حد اضافه می شود، مقدار انرژی مصرفی افزایش می یابد زیرا باید حباب اضافی از محصول مورد نظر جدا شود.

این می تواند هزینه ساخت محصول را افزایش دهد و همچنین ممکن است کیفیت آن را کاهش دهد.

گاهی اوقات، حباب بیش از حد می تواند باعث تشکیل آزئوتروپ سوم شود که می تواند روند جداسازی را دشوارتر کند.

از طرف دیگر، اگر از حباب بسیار کم استفاده کنید، ممکن است محصول کاملاً جدا نشده باشد یا به همان اندازه خالص نباشد.

بنابراین برای بدست آوردن سطح جداسازی و خلوص مورد نیاز با کمترین انرژی و هزینه باید از مقدار مناسبی از اینترینر استفاده کرد.

حلال های یوتکتیک عمیق (DES) به عنوان مواد افزودنی در تقطیر آزئوتروپیک محبوب تر می شوند زیرا نسبت به حلال های سنتی برای محیط زیست بهتر هستند.

مخلوط های آزئوتروپیک مانند بنزن-سیکلوهگزان و استونیتریل-آب به راحتی با DES جدا می شوند.

DES همچنین می تواند در تکنیکی به نام "تقطیر استخراجی" استفاده شود که شبیه تقطیر است و شامل اضافه کردن یک حلال برای خارج کردن یکی از اجزای مخلوط خوراک است.

تقطیر آزئوتروپیک در مقایسه با تقطیر با بخار

با تقطیر با بخار، مواد حساس به حرارت مانند ترکیبات معطر طبیعی از مواد آلی جدا می شوند.

از طرف دیگر، تقطیر آزئوتروپیک برای جداسازی قطعات یک مخلوط آزئوتروپیک استفاده می شود.

مخلوط هایی که آزئوتروپیک هستند با تقطیر سنتی به سختی جدا می شوند زیرا نقطه جوش آنها ثابت می ماند و بخارات مشابه مخلوط مایع است.

از آنجایی که از تقطیر با بخار برای جداسازی مواد حساس به گرما استفاده می‌شود، نمی‌توان گفت دمای آزئوتروپیک آب و تولوئن چقدر است.

از سوی دیگر، تولوئن و آب، یک آزئوتروپ در دمای 84.1 درجه سانتیگراد تشکیل می دهند که از 22.85 درصد آب و 77.15 درصد وزنی تولوئن تشکیل شده است.

از آنجایی که مانند یک ترکیب واحد عمل می کند، مخلوط تولوئن و آب با این ترکیب را نمی توان با تقطیر ساده بیشتر جدا کرد.

می توانید این مخلوط را با استفاده از تقطیر آزئوتروپیک با حباب یا تقطیر استخراجی با حلال جدا کنید.

ویدئو: جابجایی و جداسازی آزئوتروپ

نکته: در صورت نیاز دکمه زیرنویس را روشن کنید. اگر با زبان انگلیسی آشنایی ندارید، در دکمه تنظیمات، «ترجمه خودکار» را انتخاب کنید. قبل از اینکه زبان مورد علاقه شما برای ترجمه در دسترس قرار گیرد، ممکن است لازم باشد ابتدا روی زبان ویدیو کلیک کنید.

موارد استفاده کنید

مورد استفاده در:	شرح:
آب تمیز کردن	تقطیر آزئوتروپیک اغلب برای تمیز کردن آب استفاده می شود، به ویژه در صنایع نیمه هادی و الکترونیک که در آن به آب فوق خالص نیاز است. با کمک یک حباب، تقطیر آزئوتروپیک می تواند آبی با ناخالصی های بسیار کمی بسازد که در موقعیت های حساس قابل استفاده باشد.
بازیابی حلال	تقطیر آزئوتروپیک برای جداسازی حلال ها از مخلوط های واکنش استفاده می شود. این اجازه می دهد تا حلال های گران قیمت یا سخت پیدا شوند، بازیابی و دوباره استفاده شوند. به عنوان مثال، تقطیر آزئوتروپیک می تواند برای جدا کردن اتانول از آب استفاده شود، که سپس می تواند برای ساخت سوخت های زیستی یا برای سایر اهداف صنعتی استفاده شود.
استخراج اسانس	یک راه محبوب برای دریافت اسانس از گیاهان، استفاده از تقطیر آزئوتروپیک است. با استفاده از یک حباب، تقطیر آزئوتروپیک می‌تواند اسانس‌های بیشتری را نسبت به تقطیر با بخار سنتی از گیاهان خارج کند. این بدان معنی است که روغن ها از کیفیت بالاتری برخوردار بوده و بازده بیشتری خواهند داشت.
تصفیه پلیمری	تقطیر آزئوتروپیک را می توان برای حذف ناخالصی ها از پلیمرها که می تواند خواص آنها یا عملکرد آنها را تغییر دهد، استفاده کرد. به عنوان مثال، تقطیر آزئوتروپیک را می توان برای تمیز کردن پلی استایرن با خلاص شدن از مونومرهای باقی مانده و ناخالصی های دیگر که می تواند نحوه عملکرد پلیمر را تغییر دهد، استفاده کرد.
تولید دارو	تقطیر آزئوتروپیک اغلب برای جداسازی و تمیز کردن مخلوط های واکنش در طول تولید داروها استفاده می شود. به عنوان مثال می توان از تقطیر آزئوتروپیک برای جداسازی و تمیز کردن مخلوط های واکنش در ساخت آنتی بیوتیک ها استفاده کرد که در نتیجه محصولات با خلوص بالا تولید می شود.

نتیجه

در نتیجه، تقطیر آزئوتروپیک روشی مفید برای جداسازی مخلوط‌های پیچیده به قسمت‌های خالص آنهاست.

این یک ابزار قدرتمند برای مهندسین و دانشمندان به دلیل توانایی منحصر به فرد آن در ساخت سریع اجزای خالص است.

اما، مانند هر روش جداسازی، محدودیت‌های خود را دارد و نیاز به تفکر دقیق در مورد ترکیب مخلوط، انتخاب مخزن و شرایط فرآیند دارد تا خوب کار کند.

همانطور که به بررسی احتمالات تقطیر آزئوتروپیک ادامه می دهید، به خاطر داشته باشید که این فرآیند نه تنها یک چالش فنی است، بلکه فرصتی برای حل خلاقانه مسئله و ایده های جدید است.

اگر در مورد تقطیر آزئوتروپیک به روش صحیح فکر کنید، می تواند به اکتشافات و ایده های مهندسی جدید منجر شود.

بنابراین ذهن خود را باز نگه دارید و چیزهای جدید را امتحان کنید. انتخاب های زیادی وجود دارد.