זיקוק אזאוטרופי: הפרדת תערובות נוזליות

בתור מהנדס או סטודנט להנדסה, אתה תמיד מחפש דרכים להפריד ולטהר תערובות נוזליות במהירות ובקלות.

אבל אולי אתה לא יודע על זיקוק אזאוטרופי.

תהליך זה לא רק מפריד בין תערובות, אלא שהוא יכול גם ליצור רכיבים טהורים, דבר שקשה לעשות בשיטות זיקוק מסורתיות.

זיקוק אזאוטרופי הוא תהליך מסובך אך מעניין שהפך חשוב מאוד בתעשיות ההנדסה והכימיה.

במאמר זה, אסביר כיצד פועל זיקוק אזאוטרופי, כמו גם את היתרונות, החסרונות והשימושים הנפוצים שלו.

עם הידע הזה, תוכל לקחת את טכניקות ההפרדה שלך לשלב הבא.

מבוא לזיקוק אזאוטרופי

הגדרה פורמלית:

תהליך שבו מפרידים תערובת נוזלית לרכיבים טהורים בעזרת חומר נוסף או ממס.

זיקוק אזאוטרופי הוא דרך להפריד בין חלקי התערובת על ידי יצירת אזאוטרופ, שהוא תערובת של החלקים הרותחים באותה טמפרטורה.

לא ניתן להשתמש בזיקוק כדי להפריד סוג זה של תערובת לחלקיה מכיוון שלכל החלקים יש את אותה כמות אדים ונוזל.

זיקוק מיצוי, לעומת זאת, הוא דרך דומה להפרדת תערובות, אך במקום סחיר, הוא משתמש בממס להפרדת התערובות.

זיקוק אזאוטרופי

בזיקוק אזאוטרופי משתמשים ב-entrainer כדי לשנות את מידת נדיפותם של חלקי התערובת השונים, מה שמאפשר להפריד ביניהם.

על ידי שילוב של אחד או יותר מהרכיבים עם ה-entrainer, נוצר אזאוטרופ חדש.

ניתן להפריד את האזאוטרופ החדש הזה מהתערובת המקורית על ידי זיקוק חלקי.

ה-entrainer הוא לרוב חלק מהתערובת בעל נקודת רתיחה נמוכה ותנודתיות יחסית גבוהה בהשוואה לשאר החלקים.

אם התערובת יוצרת אזאוטרופ רותח מינימלי, שהוא האזאוטרופי עם נקודת הרתיחה הנמוכה ביותר, ה-entrainer ישלב עם החלק הנדיף יותר של התערובת המקורית ליצירת אזאוטרופ.

במקרה זה, האזאוטרופ עם נקודת הרתיחה הנמוכה ביותר שנוצר עם הוספת ה-entrainer מתאדה ראשון.

זה נקרא תזקיק.

אם לא, אם נוצר אזאוטרופ עם נקודת רתיחה מקסימלית עם ה-entrainer, החלק הנדיף יותר של התערובת המקורית יתאדה ראשון.

זה מאפשר לזיקוק חלקי להפריד בין חלקי התערובת המקורית.

זיקוק מיצוי

בזיקוק מיצוי, כל תערובת חייבת להשתמש בממס הפרדה שונה, והממסים לא צריכים להטות ליצור אזאוטרופ.

הממס משנה את שיווי המשקל האדי-נוזל של התערובת, מה שמאפשר להפריד בין החלקים.

ניתן להשתמש בזיקוק מיצוי להפרדת תערובות הנוטות ליצור אזאוטרופים, דבר שאינו אפשרי בזיקוק אזאוטרופי.

תערובות רותחות קבועות

לתערובת רותחת בקצב קבוע, המכונה גם תערובת "אזאוטרופית", יש השפעות על זיקוק חלקי של תערובות פחות אידיאליות (אזאוטרופים).

אם חוק ראול נשבר בצורה חיובית, הוא יוצר עקומת לחץ אדים עם ערך מקסימלי שאינו טהור A או B טהור.

אם בתערובות אלו יש הרבה אדים, נקודות הרתיחה שלהן יהיו נמוכות.

המולקולות נעות בקלות, וזיקוק חלקי לבדו אינו מספיק כדי לקבל אתנול טהור כי עדיין יהיו בו מים וזיהומים אחרים.

אמנות ההפרדות המסובכות: חקר זיקוק אזאוטרופי

עדיין קשה להשגה וקשה להבין? תן לי לשנות קצת את נקודת המבט:

נמאס לכם מאותם תהליכי זיקוק ישנים ומשעממים שפשוט מפרידים בין תערובות מבלי להוסיף כישרון נוסף? האם אתה רוצה להפוך את טכניקות ההפרדה שלך לקשות ומבלבלות יותר ממה שהן צריכות להיות? ובכן, יש לי את התשובה בשבילך! זיקוק אזאוטרופי הוא תהליך שלוקח הפרדה פשוטה והופך אותו למבוך של חומרים וממיסים נוספים.

למה להשתמש רק בדבר אחד כדי להפריד בין תערובות כשאפשר להשתמש בשניים או שלושה? מי רוצה להיות פשוט כשאתה יכול להיות מסובך? זיקוק אזאוטרופי: לפעמים, הדרך הטובה ביותר לנקות את החלקים שלך היא להפוך את התהליך למסובך ככל האפשר.

בסדר, זו הייתה רק בדיחה שהתחפשה לפרסומת בטלוויזיה. כעת נחזור להסבר.

תהליך הזיקוק האזאוטרופי

לזיקוק אזאוטרופי יש הרבה יתרונות על פני דרכים אחרות להפריד בין דברים, כמו כמה קל להפריד בין ה-entrainer לבין המוצר שאתה רוצה, כמה קל להשתמש בו, כמה מעט אנרגיה הוא משתמש וכמה זה זול.

סוגי מלפנים

עבור זיקוק אזאוטרופי, ישנם שלושה סוגים של מלחינים: הומוגניים, הטרוגניים ומיצוי.

מלפנים הומוגניים יכולים להתערבב עם כל מרכיבי המזון, אך מלפנים הטרוגניים יוצרים שני שלבים נוזליים שאינם יכולים להתערבב.

חומרי חילוץ אינם יוצרים אזאוטרופ עם אף אחד ממרכיבי ההזנה.

במקום זאת, הם מסירים רק את הרכיבים הקוטביים יותר או הקטבים פחות על סמך הקוטביות שלהם.

זיקוק אזאוטרופי הומגני והטרוגני

ישנם שני סוגים של זיקוק אזאוטרופי, הנקראים הומוגניים והטרוגניים, התלויים באופן שבו ה-entrainer מתקשר עם תערובת ההזנה.

זיקוק אזאוטרופי הומגני קל יותר לשימוש ויעיל יותר מאשר זיקוק אזאוטרופי הטרוגני מכיוון שהסחף יכול להתערבב עם כל הרכיבים במזון.

זיקוק אזאוטרופי הטרוגני, לעומת זאת, משתמש ב-entrainer שאינו יכול להתערבב עם אף אחד מחלקי תערובת ההזנה.

זה יכול לגרום לכשל בעמודה עם שינויים קטנים בלחץ או לכיבוי של הסיר עם דליפות קטנות.

אז זה מושפע יותר מאיך שהוא מתנהל מאשר זיקוק אזאוטרופי הומוגני.

מגבלות של זיקוק אזאוטרופי

לזיקוק אזאוטרופי יש כמה יתרונות, אבל יש לו גם כמה בעיות.

חלק מהפתרונות לא ניתנים להפרדה גם על ידי זיקוק אם יש להם אזאוטרופים במצבי שיווי המשקל האדי-נוזל שלהם.

כמו כן, לבחירה בחומר אזאוטרופי יכולה להיות השפעה רבה על התהליך, ואם לא מטפלים בו כראוי, עלולה לזהם את הסביבה.

כמו כן, שימוש בזיקוק אזאוטרופי עדיין משתמש באנרגיה רבה, וייתכן שהוא לא תמיד מייצר את רמת הטוהר הדרושה למוצרי המטרה.

יישומים של זיקוק אזאוטרופי

התייבשות של אתנול

אחת הדרכים הידועות ביותר שבהן נעשה שימוש בזיקוק אזאוטרופי היא הוצאת מים מתערובות של אתנול ומים.

התערובת האזאוטרופית עוברת לעמוד האחרון, שם מתרחש זיקוק אזאוטרופי.

בעבר השתמשו בהרבה חומרי אנטריינר ושונים לכך, אך נעשה שימוש רב בבנזן עד שנמצא כי הוא גורם לסרטן.

רוב הזמן, cyclohexane משמש כדי לשבור את האתנול-מים אזאוטרופ במדע המודרני.

תהליך זה חשוב מאוד בתעשיית אתנול הדלק, שם צריך להוציא מים מהאתנול כדי למנוע מנועים להתקלקל וכדי להגדיל את כמות האתנול בתערובות הדלק.

זיקוק אזאוטרופי הטרוגני

הוספת מלחין שעושה פאזה נפרדת היא חלק מתת-קבוצה של שיטות זיקוק אזאוטרופי תעשייתי.

בדומה לזיקוק מיצוי, תהליך זה של הוספת אנטריינר שעושה שלב חדש נקרא אנטריין.

דרך נפוצה להשתמש בשיטה זו היא לערבב בנזן עם מים ואתנול כדי ליצור אזאוטרופ הטרוגני חדש עם נקודת רתיחה נמוכה יותר שניתן להפרידו בדרך הרגילה.

שיטה זו שימושית במיוחד לסילוק זיהומים בממיסים אורגניים, ניקוי שמנים אתריים והחזרת פחמימנים.

שימושים אחרים

לזיקוק אזאוטרופי יש מספר שימושים בתעשייה מלבד התייבשות אתנול וזיקוק אזאוטרופי הטרוגני, כגון:

• ניתן להפריד איזומרים, בעלי כמעט אותן תכונות פיזיקליות וכימיות, באמצעות זיקוק אזאוטרופי.
• זיקוק אזאוטרופי משמש בתעשיות התרופות, הכימיות והפולימרים כדי להחזיר ממיסים מזרמי הפסולת.
• גזים חומציים נלקחים מזרמי הגז הטבעי באמצעות תהליך הנקרא זיקוק אזאוטרופי.
• הפרדת שמנים אתריים: זיקוק אזאוטרופי משמש להפרדה וניקוי שמנים אתריים מחומר צמחי.
• סילוק מים מממסים: זיקוק אזאוטרופי משמש בתעשיות הכימיות והתרופות להסרת מים מממסים.

אתגרים בזיקוק אזאוטרופי

זיקוק אזאוטרופי הוא דרך טובה להפריד בין תערובות אזאוטרופיות, אבל זה מגיע עם כמה אתגרים שיש להתמודד איתם כדי לקבל את התוצאות הטובות ביותר.

בחירת מלמד:

בסינתזה ועיצוב קונספטואלי של תהליכי AD, הבחירה ב-entrainer חשובה מאוד מכיוון שהיא קובעת את סדר ההפרדה.

ה-Entrainer חייב ליצור אזאוטרופ חזק עם אחד ממרכיבי התערובת וקל להפריד אותו מהמוצר הרצוי.

בחירת ה-Entrainer משפיעה על איכות המוצר וטוהרתו, ואם לא נעשה בו שימוש נכון, הוא עלול גם לזהם את הסביבה.

השפעות עודף של Entrainer:

הוספת כמות עודפת של אנטריינר עלולה לגרום לעלייה בצריכת האנרגיה, שכן יש להפריד את ה-Entrainer הנוסף מהמוצר הרצוי.

זה יכול לייקר את עלות ייצור המוצר ועלול גם להוריד את איכותו.

במקרים מסוימים, עודף של סחף עלול להוביל ליצירת אזאוטרופ שלישי, מה שעלול לסבך את תהליך ההפרדה.

מאמן לא מספיק:

אם אתה משתמש במעט מדי אנטריינר, ייתכן שהמוצר לא מופרד לחלוטין או שלא יהיה טהור.

לכן, בזיקוק אזאוטרופי, יש לייעל את כמות ה-entrainer כך שניתן להגיע לרמת ההפרדה והטוהר הרצויה במינימום אנרגיה ועלות.

כיצד נוצרים אזאוטרופים:

כאשר מלחין משנה את התנודתיות היחסית של תערובת אזאוטרופית, הוא יוצר אזאוטרופ רותח או מינימום רותח.

הוספת חומר עזר יכולה לשפר עוד יותר את הטוהר של רכיב אזאוטרופי.

אבל אם תבחרו יותר מדי או מעט מדי ב-entrainer, זה יכול לשנות את היעילות של תהליך ההפרדה.

אחרי הנקודה האזאוטרופית:

זיקוק תערובת אזאוטרופית מעבר לנקודה האזוטרופית שלה אפשרי, אך תהליך זה משתמש בטכניקות הפרדה אלטרנטיביות עתירות עלות כמו זיקוק בתנופת לחץ.

במקום לנסות לזקק מעבר לנקודה האזאוטרופית, חשוב למצוא את הכמות הנכונה של סחף כדי להשיג הפרדה טובה.

זיקוק אזאוטרופי בפועל

מלפנים בזיקוק אזאוטרופי

מכיוון שהוא יכול ליצור אזאוטרופ בעל רתיחה נמוכה עם מים, בנזן שימש לעתים קרובות כגורם מלווה בזיקוק אזאוטרופי.

עם זאת, טולואן עדיף על בנזן, מכיוון שבנזן עלול לגרום לסרטן.

Entrainer עובד היטב אם הוא יכול לשלב עם אחד המרכיבים בתערובת ההזנה כדי ליצור אזאוטרופ חדש.

זה משנה את התנודתיות היחסית של הרכיבים ומאפשר להפריד ביניהם.

ה-Entrainer צריך להיות קל להפרדה מהמוצר הרצוי, ותוכלו לקבל אותו בחזרה על ידי זיקוק, הזלפה או שיטה אחרת.

בזיקוק אזאוטרופי, ההשפעה של יותר מדי סחיר תלויה במערכת שבה נעשה שימוש.

כאשר מוסיפים יותר מדי אנטריין, כמות האנרגיה המשמשת עולה כי יש להפריד את ה-Entrainer הנוסף מהמוצר הרצוי.

זה יכול לייקר את עלות ייצור המוצר ועלול גם להוריד את איכותו.

לפעמים, יותר מדי סחף עלול לגרום להיווצרות אזאוטרופ שלישי, מה שיכול להקשות על תהליך ההפרדה.

מצד שני, אם אתה משתמש במעט מדי אנטריינר, ייתכן שהמוצר לא יופרד לגמרי או לא טהור.

לכן, יש להשתמש בכמות הנכונה של ה-Entrainer כדי לקבל את רמת ההפרדה והטוהר הדרושה עם כמות האנרגיה והעלות הנמוכה ביותר.

ממיסים אאוטקטיים עמוקים (DES) הופכים פופולריים יותר בתור מלפנים בזיקוק אזאוטרופי מכיוון שהם טובים יותר לסביבה מאשר ממסים מסורתיים.

קל להפריד תערובות אזאוטרופיות כמו בנזן-ציקלוהקסאן ומים-אצטוניטריל עם DES.

ניתן להשתמש ב-DES גם בטכניקה הנקראת "זיקוק מיצוי", הדומה לזיקוק וכוללת הוספת ממס כדי להוציא את אחד מחלקי תערובת ההזנה.

זיקוק אזאוטרופי בהשוואה לזיקוק בקיטור

עם זיקוק בקיטור, חומרים רגישים לחום כמו תרכובות ארומטיות טבעיות מופרדים מחומרים אורגניים.

זיקוק אזאוטרופי, לעומת זאת, משמש להפרדת חלקי תערובת אזאוטרופית.

קשה להפריד תערובות שהן אזאוטרופיות בזיקוק מסורתי מכיוון שנקודות הרתיחה שלהן נשארות זהות והאדים זהים לתערובת הנוזלית.

מכיוון שזיקוק בקיטור משמש להפרדת חומרים רגישים לחום, קשה לומר מהי הטמפרטורה האזאוטרופית של מים וטולואן.

טולואן ומים, לעומת זאת, יוצרים אזאוטרופ ב-84.1 מעלות צלזיוס המורכב מ-22.85% מים ו-77.15% טולואן.

מכיוון שהוא פועל כמו תרכובת יחידה, תערובת של טולואן ומים עם מרכיב זה לא ניתנת להפרדה נוספת על ידי זיקוק פשוט.

אתה יכול להפריד תערובת זו על ידי שימוש בזיקוק אזאוטרופי עם מלחין או זיקוק מיצוי עם ממס.

וידאו: עקירה והפרדה של אזאוטרופים

טיפ: הפעל את לחצן הכיתוב אם אתה צריך את זה. בחר "תרגום אוטומטי" בכפתור ההגדרות, אם אינך בקי בשפה האנגלית. ייתכן שתצטרך ללחוץ תחילה על שפת הסרטון לפני שהשפה המועדפת עליך תהיה זמינה לתרגום.

מקרי שימוש

בשימוש ב:	תיאור:
ניקוי מים	זיקוק אזאוטרופי משמש לעתים קרובות לניקוי מים, במיוחד בתעשיות המוליכים למחצה והאלקטרוניקה שבהן יש צורך במים טהורים במיוחד. בעזרת אנטריין, זיקוק אזאוטרופי יכול ליצור מים עם מעט מאוד זיהומים שניתן להשתמש בהם במצבים רגישים.
שחזור ממסים	זיקוק אזאוטרופי משמש להפרדת ממסים מתערובות תגובה. זה מאפשר להחזיר ממיסים יקרים או שקשה למצוא אותם ולהשתמש בהם שוב. לדוגמה, ניתן להשתמש בזיקוק אזאוטרופי כדי להפריד אתנול ממים, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בהם לייצור דלק ביולוגי או למטרות תעשייתיות אחרות.
מיצוי שמן אתרי	דרך פופולרית להשיג שמנים אתריים מצמחים היא שימוש בזיקוק אזאוטרופי. באמצעות תרגול, זיקוק אזאוטרופי יכול להוציא יותר שמנים אתריים מצמחים מאשר זיקוק קיטור מסורתי. המשמעות היא שהשמנים יהיו איכותיים יותר ויניבו יותר.
טיהור פולימרים	ניתן להשתמש בזיקוק אזאוטרופי כדי להסיר זיהומים מפולימרים שעלולים לשנות את תכונותיהם או את יעילותם. לדוגמה, ניתן להשתמש בזיקוק אזאוטרופי לניקוי פוליסטירן על ידי היפטרות משאריות מונומרים וזיהומים אחרים שעלולים לשנות את אופן פעולת הפולימר.
ייצור תרופות	לעתים קרובות נעשה שימוש בזיקוק אזאוטרופי כדי להפריד ולנקות תערובות תגובה במהלך ייצור תרופות. לדוגמה, ניתן להשתמש בזיקוק אזאוטרופי כדי להפריד ולנקות תערובות תגובה בייצור אנטיביוטיקה, וכתוצאה מכך תוצרים בטוהר גבוה.

סיכום

לסיכום, זיקוק אזאוטרופי הוא דרך שימושית להפרדת תערובות מסובכות לחלקיהן הטהורים.

זהו כלי רב עוצמה למהנדסים ומדענים בגלל יכולתו הייחודית לייצר רכיבים טהורים במהירות.

אבל, כמו כל שיטת הפרדה, יש לה גבולות וצריכה מחשבה מדוקדקת על הרכב התערובת, בחירת ה-entrainer ותנאי התהליך כדי לעבוד היטב.

בעודכם ממשיכים לבחון את האפשרויות של זיקוק אזאוטרופי, זכרו שתהליך זה אינו רק אתגר טכני, אלא גם הזדמנות לפתרון בעיות יצירתי ולרעיונות חדשים.

אם אתה חושב על זיקוק אזאוטרופי בצורה הנכונה, זה יכול להוביל לתגליות ורעיונות הנדסיים חדשים.

אז שמור על ראש פתוח ונסה דברים חדשים. יש הרבה אפשרויות.