Bilang isang engineer o engineering student, palagi kang naghahanap ng mga paraan upang paghiwalayin at linisin ang mga likidong mixture na mabilis at madali.
Ngunit maaaring hindi mo alam ang tungkol sa azeotropic distillation.
Hindi lamang pinaghihiwalay ng prosesong ito ang mga mixture, ngunit maaari rin itong gumawa ng mga purong sangkap, na mahirap gawin sa mga tradisyonal na pamamaraan ng distillation.
Ang azeotropic distillation ay isang kumplikado ngunit kawili-wiling proseso na naging napakahalaga sa industriya ng engineering at kemikal.
Sa artikulong ito, ipapaliwanag ko kung paano gumagana ang azeotropic distillation, pati na rin ang mga benepisyo, kawalan, at karaniwang gamit nito.
Sa kaalamang ito, magagawa mong dalhin ang iyong mga diskarte sa paghihiwalay sa susunod na antas.
Panimula sa Azeotropic Distillation
Pormal na kahulugan:
Isang proseso kung saan ang isang likidong pinaghalong pinaghihiwalay sa mga purong sangkap sa tulong ng isang karagdagang sangkap o solvent.
Ang azeotropic distillation ay isang paraan upang paghiwalayin ang mga bahagi ng isang timpla sa pamamagitan ng paggawa ng isang azeotrope, na isang halo ng mga bahagi na kumukulo sa parehong temperatura.
Ang distillation ay hindi maaaring gamitin upang paghiwalayin ang ganitong uri ng halo sa mga bahagi nito dahil ang lahat ng mga bahagi ay may parehong dami ng singaw at likido.
Ang extractive distillation, sa kabilang banda, ay isang katulad na paraan upang paghiwalayin ang mga mixture, ngunit sa halip na isang entrainer, gumagamit ito ng solvent upang paghiwalayin ang mga mixture.
Azeotropic Distillation
Sa azeotropic distillation, ang isang entrainer ay ginagamit upang baguhin kung gaano pabagu-bago ang iba't ibang bahagi ng pinaghalong, na ginagawang posible na paghiwalayin ang mga ito.
Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng isa o higit pa sa mga bahagi sa entrainer, isang bagong azeotrope ang ginawa.
Ang bagong azeotrope na ito ay maaaring ihiwalay mula sa orihinal na pinaghalong sa pamamagitan ng fractional distillation.
Ang entrainer ay karaniwang bahagi ng pinaghalong may mababang punto ng kumukulo at mataas na relatibong pagkasumpungin kumpara sa iba pang bahagi.
Kung ang timpla ay bumubuo ng isang minimum na kumukulo na azeotrope, na siyang azeotrope na may pinakamababang punto ng kumukulo, ang entrainer ay magsasama sa mas pabagu-bagong bahagi ng orihinal na timpla upang bumuo ng isang azeotrope.
Sa kasong ito, ang azeotrope na may pinakamababang punto ng kumukulo na nabubuo kapag idinagdag ang entrainer ay unang sumingaw.
Ito ay tinatawag na distillate.
Kung hindi, kung ang isang azeotrope na may pinakamataas na punto ng kumukulo ay nabuo kasama ng entrainer, ang mas pabagu-bagong bahagi ng orihinal na timpla ay unang sumingaw.
Ginagawa nitong posible para sa fractional distillation na paghiwalayin ang mga bahagi ng orihinal na pinaghalong.
Extractive Distillation
Sa extractive distillation, ang bawat mixture ay dapat gumamit ng ibang separation solvent, at ang mga solvent ay hindi dapat magkaroon ng azeotrope.
Binabago ng solvent ang vapor-liquid equilibrium ng mixture, na ginagawang posible na paghiwalayin ang mga bahagi.
Maaaring gamitin ang extractive distillation upang paghiwalayin ang mga mixture na may posibilidad na bumuo ng azeotropes, na hindi posible sa azeotropic distillation.
Mga Pinaghalong Pagpapakulo
Ang isang halo na kumukulo sa isang pare-parehong bilis, na tinatawag ding "azeotropic" na halo, ay may mga epekto sa fractional distillation ng mga hindi gaanong perpektong timpla (azeotropes).
Kung ang Raoult's Law ay nasira sa positibong paraan, ito ay gumagawa ng vapor pressure curve na may pinakamataas na halaga na hindi purong A o purong B.
Kung ang mga pinaghalong ito ay may maraming singaw, ang kanilang mga kumukulo ay magiging mababa.
Ang mga molekula ay madaling gumalaw, at ang fractional distillation lamang ay hindi sapat upang makakuha ng purong ethanol dahil magkakaroon pa rin ito ng tubig at iba pang mga dumi.
The Art of Complicated Separations: Exploring Azeotropic Distillation
Mahirap pa bang makuha at mahirap intindihin? Hayaan akong baguhin nang kaunti ang pananaw:
Pagod ka na ba sa parehong lumang nakakainip na proseso ng distillation na naghihiwalay lang ng mga mixture nang hindi nagdaragdag ng anumang dagdag na likas na talino? Gusto mo bang gawing mas mahirap at mas nakakalito ang iyong mga diskarte sa paghihiwalay kaysa sa kailangan nila? Well, mayroon akong sagot para sa iyo! Ang azeotropic distillation ay isang proseso na nangangailangan ng simpleng paghihiwalay at ginagawa itong maze ng mga karagdagang substance at solvents.
Bakit gumamit lamang ng isang bagay upang paghiwalayin ang mga pinaghalong kung maaari mong gamitin ang dalawa o tatlo? Sino ang gustong maging simple kung maaari kang maging kumplikado? Azeotropic distillation: Minsan, ang pinakamahusay na paraan upang linisin ang iyong mga bahagi ay gawing kumplikado ang proseso hangga't maaari.
OK, biro lang iyon na nakabalatkayo bilang isang TV commercial. Ngayon bumalik tayo sa paliwanag.
Ang Proseso ng Azeotropic Distillation
Ang azeotropic distillation ay may maraming mga pakinabang kaysa sa iba pang mga paraan upang paghiwalayin ang mga bagay, tulad ng kung gaano kadali paghiwalayin ang entrainer at ang produkto na gusto mo, kung gaano kadali itong gamitin, gaano kaliit ang enerhiya na ginagamit nito, at kung gaano ito mura.
Mga Uri ng Entrainers
Para sa azeotropic distillation, mayroong tatlong uri ng entrainers: homogenous, heterogenous, at extractive.
Ang mga homogenous na entrainer ay maaaring ihalo sa lahat ng mga bahagi ng feed, ngunit ang mga heterogenous na entrainer ay bumubuo ng dalawang likidong phase na hindi maaaring maghalo.
Ang mga extractive entrainer ay hindi gumagawa ng azeotrope sa alinman sa mga bahagi ng feed.
Sa halip, inaalis lamang nila ang mas polar o mas kaunting polar na mga bahagi batay sa kanilang polarity.
Homogeneous at Heterogenous Azeotropic Distillation
Mayroong dalawang uri ng azeotropic distillation, na tinatawag na homogenous at heterogenous, na nakasalalay sa kung paano nakikipag-ugnayan ang entrainer sa pinaghalong feed.
Ang homogenous azeotropic distillation ay mas madaling gamitin at mas mahusay kaysa sa heterogenous azeotropic distillation dahil ang entrainer ay maaaring ihalo sa lahat ng mga bahagi sa feed.
Ang heterogenous azeotropic distillation, sa kabilang banda, ay gumagamit ng isang entrainer na hindi maaaring ihalo sa alinman sa mga bahagi ng pinaghalong feed.
Ito ay maaaring magsanhi sa column na mabigo sa maliliit na pagbabago sa pressure o ang decanter ay masara nang may maliliit na pagtagas.
Kaya, ito ay mas apektado ng kung paano ito pinapatakbo kaysa sa homogenous azeotropic distillation.
Mga Limitasyon ng Azeotropic Distillation
Ang azeotropic distillation ay may ilang mga benepisyo, ngunit mayroon din itong ilang mga problema.
Ang ilang mga solusyon ay hindi maaaring paghiwalayin din sa pamamagitan ng distillation kung mayroon silang mga azeotropes sa kanilang mga estado ng vapor-liquid equilibrium.
Gayundin, ang pagpili ng azeotropic agent ay maaaring magkaroon ng malaking epekto sa proseso at, kung hindi mapangasiwaan ng maayos, ay maaaring makadumi sa kapaligiran.
Gayundin, ang paggamit ng azeotropic distillation ay gumagamit pa rin ng maraming enerhiya, at maaaring hindi ito palaging gumagawa ng antas ng kadalisayan na kinakailangan para sa mga target na produkto.
Mga aplikasyon ng Azeotropic Distillation
Dehydration ng Ethanol
Isa sa mga pinakakilalang paraan na ginagamit ang azeotropic distillation ay ang pag-alis ng tubig mula sa mga pinaghalong ethanol at tubig.
Ang azeotropic mixture ay napupunta sa huling column, kung saan nangyayari ang azeotropic distillation.
Noong nakaraan, maraming iba't ibang mga entrainer ang ginamit para dito, ngunit ang benzene ang pinakamaraming ginagamit hanggang sa ito ay matuklasan na maging sanhi ng kanser.
Kadalasan, ang cyclohexane ay ginagamit upang basagin ang ethanol-water azeotrope sa modernong agham.
Napakahalaga ng prosesong ito sa industriya ng fuel ethanol, kung saan kailangang alisin ang tubig sa ethanol upang hindi masira ang mga makina at para madagdagan ang dami ng ethanol sa mga pinaghalong gasolina.
Heterogenous Azeotropic Distillation
Ang pagdaragdag ng isang entrainer na gumagawa ng isang hiwalay na bahagi ay bahagi ng isang subset ng mga pang-industriyang azeotropic distillation na pamamaraan.
Katulad ng extractive distillation, ang prosesong ito ng pagdaragdag ng entrainer na gumagawa ng bagong yugto ay tinatawag na entrainment.
Ang isang karaniwang paraan upang gamitin ang paraang ito ay ang paghaluin ang benzene sa tubig at ethanol upang makagawa ng bagong heterogenous na azeotrope na may mas mababang boiling point na maaaring paghiwalayin sa karaniwang paraan.
Ang pamamaraang ito ay lalong kapaki-pakinabang para sa pag-alis ng mga dumi sa mga organikong solvent, paglilinis ng mga mahahalagang langis, at pagbabalik ng mga hydrocarbon.
Iba pang gamit
Ang azeotropic distillation ay may ilang mga gamit sa industriya bukod sa dehydration ng ethanol at heterogenous azeotropic distillation, tulad ng:
- Ang mga isomer, na may halos parehong pisikal at kemikal na katangian, ay maaaring paghiwalayin gamit ang azeotropic distillation.
- Ang azeotropic distillation ay ginagamit sa mga pharmaceutical, chemical, at polymer na industriya upang maibalik ang mga solvents mula sa mga waste stream.
- Ang mga acid gas ay kinuha mula sa mga natural na daloy ng gas gamit ang isang proseso na tinatawag na azeotropic distillation.
- Paghihiwalay ng mga mahahalagang langis: Ang azeotropic distillation ay ginagamit upang paghiwalayin at linisin ang mga mahahalagang langis mula sa mga bagay ng halaman.
- Pag-alis ng tubig mula sa mga solvent: Ang azeotropic distillation ay ginagamit sa mga kemikal at pharmaceutical na industriya upang alisin ang tubig mula sa mga solvent.
Mga Hamon sa Azeotropic Distillation
Ang azeotropic distillation ay isang mahusay na paraan upang paghiwalayin ang mga azeotropic mixture, ngunit ito ay may ilang mga hamon na dapat harapin upang makuha ang pinakamahusay na mga resulta.
Pagpili ng Entrainer:
Sa synthesis at konseptwal na disenyo ng mga proseso ng AD, ang pagpili ng isang entrainer ay napakahalaga dahil tinutukoy nito ang pagkakasunud-sunod ng paghihiwalay.
Ang entrainer ay dapat bumuo ng isang malakas na azeotrope na may isa sa mga bahagi ng pinaghalong at madaling ihiwalay mula sa produktong gusto mo.
Ang pagpili ng entrainer ay nakakaapekto sa kalidad at kadalisayan ng produkto, at kung ito ay hindi gagamitin ng maayos, maaari rin itong makadumi sa kapaligiran.
Mga Epekto ng Labis na Entrainer:
Ang pagdaragdag ng labis na halaga ng entrainer ay maaaring magdulot ng pagtaas sa pagkonsumo ng enerhiya, dahil ang karagdagang entrainer ay dapat na ihiwalay mula sa nais na produkto.
Maaari nitong mapataas ang gastos sa paggawa ng produkto at maaari ring mapababa ang kalidad nito.
Sa ilang mga kaso, ang labis na entrainer ay maaaring humantong sa pagbuo ng isang ikatlong azeotrope, na maaaring makapagpalubha sa proseso ng paghihiwalay.
Hindi sapat na Entrainer:
Kung gumagamit ka ng masyadong maliit na entrainer, maaaring hindi ganap na hiwalay ang produkto o maaaring hindi kasing dalisay.
Kaya, sa azeotropic distillation, ang halaga ng entrainer ay dapat na ma-optimize upang ang nais na antas ng paghihiwalay at kadalisayan ay maabot na may pinakamababang halaga ng enerhiya at gastos.
Paano Ginagawa ang Azeotropes:
Kapag binago ng isang entrainer ang relatibong pagkasumpungin ng isang azeotropic mixture, ito ay bumubuo ng alinman sa maximum boiling o minimum boiling azeotrope.
Ang pagdaragdag ng isang entrainer ay maaaring higit pang mapahusay ang kadalisayan ng isang azeotropic na bahagi.
Ngunit kung pipiliin mo ang sobra o masyadong maliit na entrainer, maaari nitong baguhin kung gaano kahusay gumagana ang proseso ng paghihiwalay.
Pagkatapos ng Azeotropic Point:
Posible ang pagdidistill ng azeotropic mixture na lampas sa azeotropic point nito, ngunit ang prosesong ito ay gumagamit ng alternatibong cost-intensive separation technique tulad ng pressure swing distillation.
Sa halip na subukang i-distill ang lampas sa azeotropic point, mahalagang hanapin ang tamang dami ng entrainer upang makakuha ng magandang paghihiwalay.
Azeotropic Distillation sa Practice
Entrainers sa Azeotropic Distillation
Dahil maaari itong bumuo ng isang mababang kumukulo na azeotrope na may tubig, ang benzene ay kadalasang ginagamit bilang isang entrainer sa azeotrope distillation.
Ang Toluene ay mas mahusay kaysa sa benzene, gayunpaman, dahil ang benzene ay maaaring maging sanhi ng kanser.
Ang isang entrainer ay gumagana nang maayos kung maaari itong pagsamahin sa isa sa mga bahagi sa pinaghalong feed upang makagawa ng isang bagong azeotrope.
Binabago nito ang relatibong pagkasumpungin ng mga bahagi at ginagawang posible na paghiwalayin ang mga ito.
Ang entrainer ay dapat na madaling ihiwalay mula sa produkto na gusto mo, at maaari mo itong ibalik sa pamamagitan ng distilling, decanting, o iba pang paraan.
Sa azeotropic distillation, ang epekto ng sobrang entrainer ay depende sa sistemang ginagamit.
Kapag masyadong maraming entrainer ang idinagdag, tumataas ang dami ng nagamit na enerhiya dahil ang sobrang entrainer ay kailangang ihiwalay sa gustong produkto.
Maaari nitong mapataas ang gastos sa paggawa ng produkto at maaari ring mapababa ang kalidad nito.
Minsan, ang sobrang entrainer ay maaaring maging sanhi ng isang ikatlong azeotrope na mabuo, na maaaring gawing mas mahirap ang proseso ng paghihiwalay.
Sa kabilang banda, kung gagamit ka ng masyadong maliit na entrainer, maaaring hindi ganap na hiwalay ang produkto o maaaring hindi kasing dalisay.
Kaya, ang tamang dami ng entrainer ay dapat gamitin upang makuha ang antas ng paghihiwalay at kadalisayan na kailangan na may pinakamababang halaga ng enerhiya at gastos.
Ang malalim na eutectic solvents (DES) ay nagiging mas sikat bilang entrainers sa azeotropic distillation dahil mas maganda ang mga ito para sa kapaligiran kaysa sa mga tradisyunal na solvent.
Ang mga azeotropic mixture tulad ng benzene-cyclohexane at acetonitrile-water ay madaling ihiwalay sa DES.
Maaari ding gamitin ang DES sa isang pamamaraan na tinatawag na "extractive distillation," na katulad ng distillation at nagsasangkot ng pagdaragdag ng solvent upang mailabas ang isa sa mga bahagi ng pinaghalong feed.
Azeotropic Distillation sa Paghahambing sa Steam Distillation
Sa pamamagitan ng steam distillation, ang mga materyal na sensitibo sa init tulad ng mga natural na aromatic compound ay pinaghihiwalay mula sa mga organikong materyales.
Ang azeotropic distillation, sa kabilang banda, ay ginagamit upang paghiwalayin ang mga bahagi ng isang azeotropic mixture.
Ang mga halo na azeotropic ay mahirap ihiwalay sa tradisyunal na distillation dahil ang kanilang mga punto ng kumukulo ay nananatiling pareho at ang mga singaw ay pareho sa likidong pinaghalong.
Dahil ang steam distillation ay ginagamit upang paghiwalayin ang mga materyales na sensitibo sa init, mahirap sabihin kung ano ang azeotropic na temperatura ng tubig at toluene.
Ang Toluene at tubig, sa kabilang banda, ay bumubuo ng isang azeotrope sa 84.1°C na binubuo ng 22.85% na tubig at 77.15wt% toluene.
Dahil ito ay gumaganap tulad ng isang solong tambalan, ang isang pinaghalong toluene at tubig na may ganitong make-up ay hindi maaaring paghiwalayin pa sa pamamagitan ng simpleng distillation.
Maaari mong paghiwalayin ang halo na ito sa pamamagitan ng paggamit ng azeotropic distillation na may entrainer o extractive distillation na may solvent.
Video: Azeotrope Displacement at Separation
Tip: I-on ang caption button kung kailangan mo ito. Piliin ang "awtomatikong pagsasalin" sa pindutan ng mga setting, kung hindi ka pamilyar sa wikang Ingles. Maaaring kailanganin mong i-click muna ang wika ng video bago maging available ang iyong paboritong wika para sa pagsasalin.
Mga kaso ng paggamit
| Ginamit sa: | Paglalarawan: |
|---|---|
| Paglilinis ng tubig | Ang azeotropic distillation ay kadalasang ginagamit sa paglilinis ng tubig, lalo na sa mga industriya ng semiconductor at electronics kung saan kailangan ang ultra-pure water. Sa tulong ng isang entrainer, ang azeotropic distillation ay maaaring gumawa ng tubig na may napakakaunting mga dumi na maaaring magamit sa mga sensitibong sitwasyon. |
| Pagbawi ng solvent | Ang azeotropic distillation ay ginagamit upang paghiwalayin ang mga solvent mula sa mga mixture ng reaksyon. Nagbibigay-daan ito sa mga mahal o mahirap mahanap na solvent na mabawi at magamit muli. Halimbawa, ang azeotropic distillation ay maaaring gamitin upang paghiwalayin ang ethanol mula sa tubig, na pagkatapos ay magagamit upang gumawa ng biofuels o para sa iba pang mga layuning pang-industriya. |
| Pagkuha ng mahahalagang langis | Ang isang popular na paraan upang makakuha ng mahahalagang langis mula sa mga halaman ay ang paggamit ng azeotropic distillation. Gamit ang isang entrainer, ang azeotropic distillation ay makakakuha ng mas maraming mahahalagang langis mula sa mga halaman kaysa sa tradisyonal na steam distillation. Nangangahulugan ito na ang mga langis ay magiging mas mataas ang kalidad at magbubunga ng higit pa. |
| Pagdalisay ng polimer | Maaaring gamitin ang azeotropic distillation upang alisin ang mga dumi mula sa mga polymer na maaaring magbago ng kanilang mga katangian o kung gaano kahusay ang mga ito. Halimbawa, ang azeotropic distillation ay maaaring gamitin upang linisin ang polystyrene sa pamamagitan ng pag-alis ng anumang natitirang monomer at iba pang mga impurities na maaaring magbago sa paraan ng paggana ng polymer. |
| Produksyon ng parmasyutiko | Ang azeotropic distillation ay kadalasang ginagamit upang paghiwalayin at linisin ang mga mixture ng reaksyon sa panahon ng paggawa ng mga pharmaceutical. Halimbawa, maaaring gamitin ang azeotropic distillation upang paghiwalayin at linisin ang mga mixture ng reaksyon sa paggawa ng mga antibiotic, na nagreresulta sa mga produktong mataas ang purity. |
Konklusyon
Sa konklusyon, ang azeotropic distillation ay isang kapaki-pakinabang na paraan upang paghiwalayin ang mga kumplikadong mixture sa kanilang mga purong bahagi.
Ito ay isang makapangyarihang tool para sa mga inhinyero at siyentipiko dahil sa kakaibang kakayahan nitong gumawa ng mga dalisay na sangkap nang mabilis.
Ngunit, tulad ng anumang paraan ng paghihiwalay, mayroon itong mga limitasyon at nangangailangan ng maingat na pag-iisip tungkol sa komposisyon ng pinaghalong, ang pagpili ng entrainer, at ang mga kondisyon ng proseso upang gumana nang maayos.
Habang patuloy mong tinitingnan ang mga posibilidad ng azeotropic distillation, tandaan na ang prosesong ito ay hindi lamang isang teknikal na hamon, kundi isang pagkakataon din para sa malikhaing paglutas ng problema at mga bagong ideya.
Kung iniisip mo ang tungkol sa azeotropic distillation sa tamang paraan, maaari itong humantong sa mga bagong pagtuklas at ideya sa engineering.
Kaya panatilihing bukas ang isip at sumubok ng mga bagong bagay. Mayroong maraming mga pagpipilian.
Ibahagi sa…
