Kao inženjer ili student strojarstva, uvijek tražite načine za brzo i jednostavno odvajanje i pročišćavanje tekućih smjesa.
Ali možda niste znali za azeotropnu destilaciju.
Ovaj proces ne samo da razdvaja smjese, već također može napraviti čiste komponente, što je teško učiniti tradicionalnim metodama destilacije.
Azeotropna destilacija je kompliciran, ali zanimljiv proces koji je postao vrlo važan u inženjerskoj i kemijskoj industriji.
U ovom ću članku objasniti kako funkcionira azeotropna destilacija, kao i njezine prednosti, nedostatke i uobičajenu upotrebu.
S ovim znanjem moći ćete podići svoje tehnike odvajanja na višu razinu.
Uvod u azeotropnu destilaciju
Formalna definicija:
Proces kojim se tekuća smjesa razdvaja na čiste komponente uz pomoć dodatne tvari ili otapala.
Azeotropna destilacija je način odvajanja dijelova smjese stvaranjem azeotropa, što je smjesa dijelova koja vrije na istoj temperaturi.
Ovakvu mješavinu destilacijom se ne može rastaviti na dijelove jer svi dijelovi imaju jednaku količinu pare i tekućine.
Ekstrakcijska destilacija, s druge strane, sličan je način razdvajanja smjesa, ali umjesto entrainer-a koristi otapalo za razdvajanje smjesa.
Azeotropna destilacija
U azeotropnoj destilaciji, entrainer se koristi za promjenu hlapljivosti različitih dijelova smjese, što omogućuje njihovo odvajanje.
Kombiniranjem jedne ili više komponenti s entrainerom nastaje novi azeotrop.
Ovaj novi azeotrop može se odvojiti od izvorne smjese frakcijskom destilacijom.
Entrainer je obično dio smjese koji ima nisko vrelište i visoku relativnu hlapljivost u usporedbi s ostalim dijelovima.
Ako smjesa tvori azeotrop s minimalnim vrelištem, a to je azeotrop s najnižom točkom vrelišta, entrainer će se spojiti s hlapljivijim dijelom izvorne smjese i formirati azeotrop.
U ovom slučaju, azeotrop s najnižim vrelištem koji nastaje kada se doda entrainer prvo isparava.
Ovo se zove destilat.
U suprotnom, ako se azeotrop s maksimalnim vrelištem formira s entrainerom, hlapljiviji dio izvorne smjese će prvi ispariti.
To omogućuje frakcijskom destilacijom da odvoji dijelove izvorne smjese.
Ekstrakcijska destilacija
U ekstrakcijskoj destilaciji, svaka smjesa mora koristiti različito otapalo za odvajanje, a otapala ne bi trebala težiti stvaranju azeotropa.
Otapalo mijenja ravnotežu pare i tekućine u smjesi, što omogućuje razdvajanje dijelova.
Ekstrakcijska destilacija može se koristiti za odvajanje smjesa koje teže stvaranju azeotropa, što nije moguće kod azeotropne destilacije.
Smjese za stalno ključanje
Smjesa koja ključa konstantnom brzinom, koja se naziva i "azeotropna" smjesa, ima učinke na frakcijsku destilaciju smjesa koje nisu idealne (azeotropi).
Ako se Raoultov zakon prekrši na pozitivan način, to čini krivulju tlaka pare s maksimalnom vrijednošću koja nije čisti A ili čisti B.
Ako ove smjese imaju puno pare, njihova će vrelišta biti niska.
Molekule se lako kreću, a sama frakcijska destilacija nije dovoljna da bi se dobio čisti etanol jer će i dalje sadržavati vodu i druge nečistoće.
Umjetnost kompliciranih odvajanja: istraživanje azeotropne destilacije
Još uvijek je teško dobiti i teško razumjeti? Da malo promijenim gledište:
Jeste li umorni od istih starih dosadnih procesa destilacije koji samo odvajaju smjese bez dodavanja ikakvog dodatnog štiha? Želite li svoje tehnike odvajanja učiniti težima i zbunjujućima nego što bi trebale biti? Pa, imam odgovor za vas! Azeotropna destilacija je proces koji uključuje jednostavno odvajanje i pretvara ga u labirint dodatnih tvari i otapala.
Zašto koristiti samo jednu stvar za razdvajanje smjesa kada možete koristiti dvije ili tri? Tko želi biti jednostavan kad možete biti komplicirani? Azeotropna destilacija: ponekad je najbolji način da očistite svoje dijelove da proces učinite što kompliciranijim.
OK, to je bila samo šala prerušena u TV reklamu. Sada se vratimo na objašnjenje.
Proces azeotropne destilacije
Azeotropna destilacija ima puno prednosti u odnosu na druge načine razdvajanja stvari, na primjer koliko je lako odvojiti entrainer i željeni proizvod, koliko je jednostavna za korištenje, koliko malo energije koristi i koliko je jeftina.
Vrste entrainera
Za azeotropnu destilaciju postoje tri vrste entrainera: homogeni, heterogeni i ekstrakcijski.
Homogeni entrainers mogu se miješati sa svim komponentama hrane, ali heterogeni entrainers formiraju dvije tekuće faze koje se ne mogu miješati.
Ekstraktivni entraineri ne tvore azeotrop ni s jednom komponentom sirovine.
Umjesto toga, uklanjaju samo polarne ili manje polarne komponente na temelju njihovog polariteta.
Homogena i heterogena azeotropna destilacija
Postoje dvije vrste azeotropne destilacije, nazvane homogena i heterogena, koje ovise o tome kako entrainer stupa u interakciju s krmnom smjesom.
Homogena azeotropna destilacija lakša je za korištenje i učinkovitija od heterogene azeotropne destilacije jer se entrainer može miješati sa svim komponentama u hrani.
Heterogena azeotropna destilacija, s druge strane, koristi entrainer koji se ne može miješati ni s jednim dijelom smjese za punjenje.
To može uzrokovati kvar stupca s malim promjenama tlaka ili zatvaranje dekantera s malim curenjem.
Dakle, na nju više utječe način vođenja nego na homogenu azeotropnu destilaciju.
Ograničenja azeotropne destilacije
Azeotropna destilacija ima neke prednosti, ali ima i nekih problema.
Neke se otopine ne mogu također odvojiti destilacijom ako imaju azeotrope u svojim stanjima ravnoteže para-tekućina.
Također, izbor azeotropnog sredstva može imati veliki učinak na proces i, ako se njime ne rukuje pravilno, može zagaditi okoliš.
Također, korištenje azeotropne destilacije još uvijek koristi puno energije i možda neće uvijek proizvesti razinu čistoće koja je potrebna za ciljne proizvode.
Primjena azeotropne destilacije
Dehidracija etanola
Jedan od najpoznatijih načina na koji se koristi azeotropna destilacija je uklanjanje vode iz smjesa etanola i vode.
Azeotropna smjesa ide u posljednju kolonu, gdje se odvija azeotropna destilacija.
U prošlosti se za to koristilo mnogo različitih entrainera, ali najviše se koristio benzen dok se nije otkrilo da uzrokuje rak.
Većinu vremena, cikloheksan se koristi za razbijanje azeotropa etanol-voda u modernoj znanosti.
Ovaj proces je vrlo važan u industriji goriva i etanola, gdje je potrebno ukloniti vodu iz etanola kako se motori ne bi pokvarili i kako bi se povećala količina etanola u mješavinama goriva.
Heterogena azeotropna destilacija
Dodavanje entrainera koji čini zasebnu fazu dio je podskupa industrijskih metoda azeotropne destilacije.
Slično ekstrakcijskoj destilaciji, ovaj proces dodavanja entrainera koji čini novu fazu naziva se entraining.
Uobičajen način korištenja ove metode je miješanje benzena s vodom i etanolom kako bi se dobio novi heterogeni azeotrop s nižim vrelištem koji se može odvojiti na uobičajeni način.
Ova metoda je posebno korisna za uklanjanje nečistoća u organskim otapalima, čišćenje eteričnih ulja i vraćanje ugljikovodika.
Druge namjene
Azeotropna destilacija ima brojne primjene u industriji osim dehidracije etanola i heterogene azeotropne destilacije, kao što su:
- Izomeri, koji imaju gotovo ista fizikalna i kemijska svojstva, mogu se odvojiti azeotropnom destilacijom.
- Azeotropna destilacija koristi se u farmaceutskoj, kemijskoj i industriji polimera za vraćanje otapala iz tokova otpada.
- Kiseli plinovi se izdvajaju iz tokova prirodnog plina pomoću procesa koji se naziva azeotropna destilacija.
- Odvajanje eteričnih ulja: Azeotropna destilacija koristi se za odvajanje i čišćenje eteričnih ulja od biljnih tvari.
- Uklanjanje vode iz otapala: Azeotropna destilacija koristi se u kemijskoj i farmaceutskoj industriji za uklanjanje vode iz otapala.
Izazovi u azeotropnoj destilaciji
Azeotropna destilacija dobar je način za odvajanje azeotropnih smjesa, ali dolazi s nekim izazovima s kojima se morate nositi kako biste dobili najbolje rezultate.
Odabir Entrainer-a:
U sintezi i konceptualnom oblikovanju AD procesa izbor entrainera je vrlo važan jer određuje redoslijed razdvajanja.
Entrainer mora tvoriti jaki azeotrop s jednom od komponenti smjese i mora se lako odvojiti od produkta koji želite.
Odabir entrainera utječe na kvalitetu i čistoću proizvoda, a ako se ne koristi pravilno može i zagaditi okoliš.
Efekti viška Entrainera:
Dodavanje viška entrainera može uzrokovati povećanje potrošnje energije, jer se dodatni entrainer mora odvojiti od željenog proizvoda.
To može povećati troškove izrade proizvoda, a može i smanjiti njegovu kvalitetu.
U nekim slučajevima, višak entrainera može dovesti do stvaranja trećeg azeotropa, što može zakomplicirati proces odvajanja.
Nedovoljan Entrainer:
Ako koristite premalo entrainera, proizvod se možda neće potpuno odvojiti ili možda neće biti toliko čist.
Dakle, u azeotropnoj destilaciji, količinu entrainera treba optimizirati tako da se željena razina odvajanja i čistoće može postići uz najmanju količinu energije i troškova.
Kako se prave azeotropi:
Kada entrainer promijeni relativnu hlapljivost azeotropne smjese, formira azeotrop s maksimalnim ili minimalnim vrelištem.
Dodavanje entrainera može dodatno povećati čistoću azeotropne komponente.
Ali ako odaberete previše ili premalo entrainera, to može promijeniti kako dobro funkcionira proces odvajanja.
Nakon azeotropne točke:
Destilacija azeotropne smjese iznad njene azeotropne točke je moguća, ali ovaj proces koristi alternativne skupe tehnike odvajanja kao što je destilacija s promjenom tlaka.
Umjesto pokušaja destilacije iznad azeotropne točke, važno je pronaći pravu količinu entrainera kako bi se postiglo dobro odvajanje.
Azeotropna destilacija u praksi
Entraineri u azeotropnoj destilaciji
Budući da može formirati azeotrop niskog vrelišta s vodom, benzen se često koristio kao entrainer u azeotropnoj destilaciji.
Toluen je ipak bolji od benzena, jer benzen može izazvati rak.
Entrainer radi dobro ako se može kombinirati s jednom od komponenti u krmnoj smjesi kako bi se napravio novi azeotrop.
To mijenja relativnu volatilnost komponenti i omogućuje njihovo odvajanje.
Entrainer bi se trebao lako odvojiti od proizvoda koji želite, a možete ga vratiti destilacijom, dekantiranjem ili na neki drugi način.
Kod azeotropne destilacije učinak prevelike količine entrainera ovisi o sustavu koji se koristi.
Kada se doda previše entrainera, količina korištene energije raste jer se dodatni entrainer mora odvojiti od željenog proizvoda.
To može povećati troškove izrade proizvoda, a može i smanjiti njegovu kvalitetu.
Ponekad, previše entrainera može uzrokovati stvaranje trećeg azeotropa, što može otežati proces odvajanja.
S druge strane, ako koristite premalo entrainera, proizvod se možda neće potpuno odvojiti ili možda neće biti toliko čist.
Dakle, treba koristiti odgovarajuću količinu entrainera kako bi se postigla potrebna razina odvajanja i čistoće uz najmanju količinu energije i troškova.
Duboka eutektička otapala (DES) postaju sve popularnija kao entraineri u azeotropnoj destilaciji jer su bolja za okoliš od tradicionalnih otapala.
Azeotropne smjese kao što su benzen-cikloheksan i acetonitril-voda lako se odvajaju s DES-om.
DES se također može koristiti u tehnici koja se naziva "ekstrakcijska destilacija", koja je slična destilaciji i uključuje dodavanje otapala kako bi se izvukao jedan od dijelova krmne smjese.
Azeotropna destilacija u usporedbi s parnom destilacijom
Destilacijom vodenom parom materijali osjetljivi na toplinu poput prirodnih aromatskih spojeva odvajaju se od organskih materijala.
Azeotropna destilacija, s druge strane, koristi se za odvajanje dijelova azeotropne smjese.
Smjese koje su azeotropne teško je odvojiti tradicionalnom destilacijom jer im vrelišta ostaju ista, a pare su iste kao i kod tekuće smjese.
Budući da se destilacija parom koristi za odvajanje materijala koji su osjetljivi na toplinu, teško je reći koja je azeotropna temperatura vode i toluena.
Toluen i voda, s druge strane, tvore azeotrop na 84,1°C koji se sastoji od 22,85% vode i 77,15% toluena.
Budući da djeluje kao jedan spoj, smjesa toluena i vode s ovim sastavom ne može se dalje odvojiti jednostavnom destilacijom.
Ovu smjesu možete razdvojiti korištenjem azeotropne destilacije s etrainerom ili ekstrakcijske destilacije s otapalom.
Video: Azeotropno premještanje i odvajanje
Savjet: Uključite tipku titlova ako vam je potrebna. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu postavki, ako niste upoznati s engleskim jezikom. Možda ćete prvo morati kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Slučajevi upotrebe
| Korišteno u: | Opis: |
|---|---|
| Voda za čišćenje | Azeotropna destilacija često se koristi za čišćenje vode, posebno u industriji poluvodiča i elektronike gdje je potrebna ultra čista voda. Uz pomoć entrainera, azeotropna destilacija može napraviti vodu s vrlo malo nečistoća koja se može koristiti u osjetljivim situacijama. |
| Oporaba otapala | Azeotropna destilacija koristi se za odvajanje otapala iz reakcijskih smjesa. To omogućuje da se skupa ili teško dostupna otapala oporabe i ponovno koriste. Na primjer, azeotropna destilacija može se koristiti za odvajanje etanola od vode, koji se zatim može koristiti za proizvodnju biogoriva ili u druge industrijske svrhe. |
| Ekstrakcija eteričnog ulja | Popularan način dobivanja eteričnih ulja iz biljaka je korištenje azeotropne destilacije. Koristeći entrainer, azeotropna destilacija može dobiti više eteričnih ulja iz biljaka nego tradicionalna destilacija parom. To znači da će ulja biti kvalitetnija i dati više uroda. |
| Pročišćavanje polimera | Azeotropna destilacija može se koristiti za uklanjanje nečistoća iz polimera koje bi mogle promijeniti njihova svojstva ili njihovu učinkovitost. Na primjer, azeotropna destilacija može se koristiti za čišćenje polistirena uklanjanjem zaostalih monomera i drugih nečistoća koje bi mogle promijeniti način na koji polimer radi. |
| Farmaceutska proizvodnja | Azeotropna destilacija često se koristi za odvajanje i čišćenje reakcijskih smjesa tijekom proizvodnje lijekova. Na primjer, azeotropna destilacija može se koristiti za odvajanje i čišćenje reakcijskih smjesa u proizvodnji antibiotika, što rezultira proizvodima visoke čistoće. |
Zaključak
Zaključno, azeotropna destilacija je koristan način razdvajanja kompliciranih smjesa na njihove čiste dijelove.
To je moćan alat za inženjere i znanstvenike zbog svoje jedinstvene sposobnosti brze izrade čistih komponenti.
No, kao i svaka metoda odvajanja, ona ima svoja ograničenja i potrebno je pažljivo promišljanje o sastavu smjese, izboru entrainera i uvjetima procesa kako bi dobro funkcionirao.
Dok nastavljate proučavati mogućnosti azeotropne destilacije, imajte na umu da ovaj proces nije samo tehnički izazov, već i prilika za kreativno rješavanje problema i nove ideje.
Ako razmišljate o azeotropnoj destilaciji na pravi način, to može dovesti do novih inženjerskih otkrića i ideja.
Zato budite otvoreni i isprobavajte nove stvari. Postoji puno opcija.
Dijeli…
