Kaip inžinierius ar inžinieriaus studentas, jūs visada ieškote būdų, kaip greitai ir lengvai atskirti ir išvalyti skystus mišinius.
Bet jūs galbūt nežinote apie azeotropinį distiliavimą.
Šis procesas ne tik atskiria mišinius, bet ir gali pagaminti grynus komponentus, o tai sunku padaryti naudojant tradicinius distiliavimo metodus.
Azeotropinis distiliavimas yra sudėtingas, bet įdomus procesas, kuris tapo labai svarbus inžinerijos ir chemijos pramonėje.
Šiame straipsnyje paaiškinsiu, kaip veikia azeotropinis distiliavimas, taip pat apie jo naudą, trūkumus ir įprastą naudojimą.
Turėdami šias žinias galėsite perkelti savo atskyrimo metodus į kitą lygį.
Įvadas į azeotropinį distiliavimą
Oficialus apibrėžimas:
Procesas, kurio metu skystas mišinys atskiriamas į grynus komponentus, naudojant papildomą medžiagą arba tirpiklį.
Azeotropinis distiliavimas – tai būdas atskirti mišinio dalis gaminant azeotropą, kuris yra dalių mišinys, verdantis toje pačioje temperatūroje.
Distiliavimas negali būti naudojamas tokio tipo mišiniui atskirti į dalis, nes visose dalyse yra vienodas garų ir skysčio kiekis.
Kita vertus, ekstrahuojantis distiliavimas yra panašus mišinių atskyrimo būdas, tačiau vietoj nešiklio mišiniams atskirti naudojamas tirpiklis.
Azeotropinis distiliavimas
Atliekant azeotropinį distiliavimą, naudojamas pernešėjas, skirtas pakeisti skirtingų mišinio dalių lakumą, todėl jas galima atskirti.
Sujungus vieną ar daugiau komponentų su pernešikliu, gaunamas naujas azeotropas.
Šis naujas azeotropas gali būti atskirtas nuo pradinio mišinio frakciniu distiliavimu.
Pernešėjas paprastai yra mišinio dalis, kurios virimo temperatūra yra žema ir santykinis lakumas, palyginti su kitomis dalimis, yra didelis.
Jei mišinys sudaro minimalios virimo temperatūros azeotropą, kuris yra azeotropas, kurio virimo temperatūra yra žemiausia, nešiklis susijungs su lakiesne pradinio mišinio dalimi, kad susidarytų azeotropas.
Tokiu atveju pirmiausia išgaruoja azeotropas, kurio virimo temperatūra yra žemiausia, kuri susidaro įdėjus nešiklio.
Tai vadinama distiliatu.
Jei ne, jei su pernešikliu susidaro azeotropas su maksimalia virimo temperatūra, pirmiausia išgaruos lakioji pradinio mišinio dalis.
Tai leidžia frakciniam distiliavimui atskirti pradinio mišinio dalis.
Ekstraktinis distiliavimas
Ekstraktiniame distiliavime kiekvienam mišiniui turi būti naudojamas skirtingas atskyrimo tirpiklis, o tirpikliai neturėtų sudaryti azeotropo.
Tirpiklis keičia mišinio garų ir skysčių pusiausvyrą, todėl galima atskirti dalis.
Ekstraktinis distiliavimas gali būti naudojamas atskirti mišinius, kurie linkę sudaryti azeotropus, o tai neįmanoma naudojant azeotropinį distiliavimą.
Nuolat verdantys mišiniai
Mišinys, kuris verda pastoviu greičiu, dar vadinamas „azeotropiniu“ mišiniu, turi įtakos ne idealių mišinių (azeotropų) frakcinei distiliacijai.
Jei Raoult dėsnis pažeidžiamas teigiamai, jis sukuria garų slėgio kreivę, kurios didžiausia vertė nėra gryna A arba gryna B.
Jei šiuose mišiniuose yra daug garų, jų virimo temperatūra bus žema.
Molekulės lengvai juda, o vien frakcinio distiliavimo nepakanka grynam etanoliui gauti, nes jame vis tiek bus vandens ir kitų priemaišų.
Sudėtingo atskyrimo menas: Azeotropinio distiliavimo tyrinėjimas
Vis dar sunku suprasti ir sunku suprasti? Šiek tiek pakeisiu požiūrį:
Ar pavargote nuo tų pačių senų nuobodžių distiliavimo procesų, kurie tiesiog atskiria mišinius nepridedant jokios papildomos nuojautos? Ar norite, kad atsiskyrimo metodai būtų sunkesni ir painesni, nei reikia? Na, aš turiu jums atsakymą! Azeotropinis distiliavimas yra paprastas atskyrimo procesas, kuris paverčia jį papildomų medžiagų ir tirpiklių labirintu.
Kodėl mišiniams atskirti naudoti tik vieną dalyką, kai galite naudoti du ar tris? Kas nori būti paprastas, kai gali būti sudėtingas? Azeotropinis distiliavimas: Kartais geriausias būdas išvalyti dalis yra padaryti procesą kuo sudėtingesnį.
Gerai, tai buvo tik pokštas, užmaskuotas kaip televizijos reklama. Dabar grįžkime prie paaiškinimo.
Azeotropinis distiliavimo procesas
Azeotropinis distiliavimas turi daug privalumų, palyginti su kitais dalykų atskyrimo būdais, pvz., kaip lengva atskirti indą ir norimą produktą, kaip paprasta jį naudoti, kiek sunaudojama mažai energijos ir kaip pigu.
Entrainerių tipai
Azeotropiniam distiliavimui naudojami trijų tipų intarpai: homogeniniai, nevienalyčiai ir ekstrahuojantys.
Homogeniniai nešikliai gali maišytis su visais pašaro komponentais, tačiau nevienalyčiai nešikliai sudaro dvi skystąsias fazes, kurių negalima maišyti.
Ekstrahuojantys traukikliai nesudaro azeotropo su jokiu pašaro komponentu.
Vietoj to, jie pašalina tik labiau poliarinius arba mažiau polinius komponentus, atsižvelgiant į jų poliškumą.
Homogeninis ir heterogeninis azeotropinis distiliavimas
Yra du azeotropinio distiliavimo tipai, vadinami homogeniniu ir nevienalyčiu, kurie priklauso nuo to, kaip pernešėjas sąveikauja su pašarų mišiniu.
Homogeninis azeotropinis distiliavimas yra lengviau naudojamas ir efektyvesnis nei heterogeninis azeotropinis distiliavimas, nes nešiklis gali susimaišyti su visais pašaro komponentais.
Kita vertus, atliekant heterogeninį azeotropinį distiliavimą naudojamas nešiklis, kuris negali susimaišyti su jokia pašarų mišinio dalimi.
Dėl to kolonėlė gali sugesti dėl nedidelių slėgio pokyčių arba dekanteris gali išsijungti dėl nedidelių nuotėkių.
Taigi, tai labiau veikia tai, kaip jis veikia, nei homogeninis azeotropinis distiliavimas.
Azeotropinio distiliavimo apribojimai
Azeotropinis distiliavimas turi tam tikrų privalumų, tačiau turi ir problemų.
Kai kurių tirpalų taip pat negalima atskirti distiliuojant, jei jie turi azeotropų garų ir skysčių pusiausvyros būsenose.
Be to, azeotropinės medžiagos pasirinkimas gali turėti didelės įtakos procesui ir, netinkamai elgiamasi, gali užteršti aplinką.
Be to, naudojant azeotropinį distiliavimą, vis tiek sunaudojama daug energijos ir ne visada gaunamas toks grynumo lygis, kokio reikia tiksliniams produktams.
Azeotropinio distiliavimo taikymas
Etanolio dehidratacija
Vienas iš labiausiai žinomų azeotropinio distiliavimo būdų yra vandens pašalinimas iš etanolio ir vandens mišinių.
Azeotropinis mišinys patenka į paskutinę kolonėlę, kurioje vyksta azeotropinis distiliavimas.
Anksčiau tam buvo naudojama daug įvairių nešvarumų, tačiau benzenas buvo naudojamas daugiausia, kol buvo nustatyta, kad jis sukelia vėžį.
Didžiąją laiko dalį cikloheksanas šiuolaikiniame moksle naudojamas etanolio-vandens azeotropui suskaidyti.
Šis procesas labai svarbus degalų etanolio pramonėje, kur iš etanolio reikia išimti vandenį, kad varikliai nesugestų ir padidėtų etanolio kiekis degalų mišiniuose.
Heterogeninis azeotropinis distiliavimas
Atskira fazė sukuriančio nešiklio pridėjimas yra dalis pramoninių azeotropinių distiliavimo metodų.
Panašiai kaip ekstrahuojantis distiliavimas, šis įtraukiklio, kuris sukuria naują fazę, pridėjimo procesas vadinamas įtraukimu.
Įprastas šio metodo naudojimo būdas yra maišyti benzeną su vandeniu ir etanoliu, kad susidarytų naujas heterogeninis azeotropas su žemesne virimo temperatūra, kurį galima atskirti įprastu būdu.
Šis metodas ypač naudingas norint atsikratyti priemaišų organiniuose tirpikliuose, valyti eterinius aliejus ir susigrąžinti angliavandenilius.
Kitos paskirties
Azeotropinis distiliavimas pramonėje naudojamas ne tik etanolio dehidratavimui ir heterogeniniam azeotropiniam distiliavimui, bet ir, pavyzdžiui:
- Izomerai, turintys beveik tas pačias fizines ir chemines savybes, gali būti atskirti naudojant azeotropinį distiliavimą.
- Azeotropinis distiliavimas naudojamas farmacijos, chemijos ir polimerų pramonėje, siekiant gauti tirpiklius iš atliekų srautų.
- Rūgštinės dujos pašalinamos iš gamtinių dujų srautų naudojant procesą, vadinamą azeotropiniu distiliavimu.
- Eterinių aliejų atskyrimas: Azeotropinis distiliavimas naudojamas eteriniams aliejams atskirti ir išvalyti nuo augalinių medžiagų.
- Vandens pašalinimas iš tirpiklių: Azeotropinis distiliavimas naudojamas chemijos ir farmacijos pramonėje vandeniui pašalinti iš tirpiklių.
Azeotropinio distiliavimo iššūkiai
Azeotropinis distiliavimas yra geras būdas atskirti azeotropinius mišinius, tačiau tai susiję su tam tikrais iššūkiais, kuriuos reikia išspręsti norint gauti geriausius rezultatus.
Entrainerio pasirinkimas:
AD procesų sintezėje ir koncepciniame projekte labai svarbus yra įtraukiklio pasirinkimas, nes jis lemia atskyrimo tvarką.
Pernešėjas turi sudaryti stiprų azeotropą su vienu iš mišinio komponentų ir būti lengvai atskiriamas nuo norimo produkto.
Pernešiklio pasirinkimas turi įtakos gaminio kokybei ir grynumui, o netinkamai naudojamas gali užteršti ir aplinką.
Perteklinis Entrainer poveikis:
Pridėjus perteklinį nešiklio kiekį, gali padidėti energijos sąnaudos, nes papildomas indas turi būti atskirtas nuo norimo produkto.
Tai gali padidinti gaminio gamybos sąnaudas ir sumažinti jo kokybę.
Kai kuriais atvejais perteklinės medžiagos gali sukelti trečiojo azeotropo susidarymą, o tai gali apsunkinti atskyrimo procesą.
Nepakankamas įtraukėjas:
Jei naudosite per mažai nešiklio, produktas gali būti nevisiškai atskirtas arba gali būti ne toks grynas.
Taigi azeotropinio distiliavimo metu pernešėjo kiekis turėtų būti optimizuotas taip, kad norimą atskyrimo ir grynumo lygį būtų galima pasiekti naudojant mažiausią energijos kiekį ir sąnaudas.
Kaip gaminami azeotropai:
Kai pernešėjas pakeičia santykinį azeotropinio mišinio lakumą, jis sudaro arba maksimaliai verdantį, arba minimalų verdantį azeotropą.
Pridėjus nešiklio, galima dar labiau padidinti azeotropinio komponento grynumą.
Bet jei pasirinksite per daug arba per mažai nešiklio, tai gali pakeisti atskyrimo proceso efektyvumą.
Po azeotropinio taško:
Azeotropinio mišinio distiliavimas virš azeotropinio taško yra įmanomas, tačiau šiame procese naudojami alternatyvūs daug kainuojantys atskyrimo būdai, pvz., distiliavimas slėgio svyravimu.
Užuot bandę distiliuoti už azeotropinio taško, svarbu rasti tinkamą pernešėjo kiekį, kad būtų pasiektas geras atskyrimas.
Azeotropinis distiliavimas praktikoje
Azeotropinio distiliavimo entrainers
Kadangi benzenas su vandeniu gali sudaryti žemos virimo temperatūros azeotropą, azeotropo distiliavimo metu jis dažnai buvo naudojamas kaip nešiklis.
Tačiau toluenas yra geresnis už benzeną, nes benzenas gali sukelti vėžį.
Pernešėjas gerai veikia, jei jį galima sujungti su vienu iš pašarų mišinio komponentų, kad susidarytų naujas azeotropas.
Tai keičia santykinį komponentų nepastovumą ir leidžia juos atskirti.
Indelis turi būti lengvai atskiriamas nuo norimo produkto, o jį galite atgauti distiliuodami, dekantuodami ar kitu būdu.
Atliekant azeotropinį distiliavimą, per didelio pernešiklio poveikis priklauso nuo naudojamos sistemos.
Pridėjus per daug nešiklio, sunaudojamos energijos kiekis padidėja, nes papildomas nešiklis turi būti atskirtas nuo norimo produkto.
Tai gali padidinti gaminio gamybos sąnaudas ir sumažinti jo kokybę.
Kartais per daug nešiklio gali susidaryti trečiasis azeotropas, o tai gali apsunkinti atskyrimo procesą.
Kita vertus, jei naudosite per mažai tarpiklio, produktas gali būti nevisiškai atskirtas arba gali būti ne toks grynas.
Taigi, norint gauti reikiamą atskyrimo ir grynumo lygį su mažiausiomis energijos ir sąnaudomis, reikia naudoti tinkamą nešiklio kiekį.
Giluminiai eutektiniai tirpikliai (DES) tampa vis populiaresni kaip azeotropinio distiliavimo intarpai, nes jie yra geresni aplinkai nei tradiciniai tirpikliai.
Azeotropinius mišinius, tokius kaip benzenas-cikloheksanas ir acetonitrilas-vanduo, lengva atskirti naudojant DES.
DES taip pat gali būti naudojamas taikant metodą, vadinamą „ekstrahuojančiu distiliavimu“, kuris yra panašus į distiliavimą ir apima tirpiklio pridėjimą, kad būtų pašalinta viena iš pašaro mišinio dalių.
Azeotropinis distiliavimas, palyginti su distiliavimu garais
Distiliuojant garais, karščiui jautrios medžiagos, tokios kaip natūralūs aromatiniai junginiai, yra atskiriamos nuo organinių medžiagų.
Kita vertus, azeotropinis distiliavimas naudojamas azeotropinio mišinio dalims atskirti.
Azeotropinius mišinius sunku atskirti naudojant tradicinį distiliavimą, nes jų virimo temperatūra išlieka tokia pati, o garai yra tokie patys kaip skysto mišinio.
Kadangi distiliavimas garais naudojama šilumai jautrioms medžiagoms atskirti, sunku pasakyti, kokia yra vandens ir tolueno azeotropinė temperatūra.
Kita vertus, toluenas ir vanduo 84,1 °C temperatūroje sudaro azeotropą, kurį sudaro 22,85 % vandens ir 77,15 masės % tolueno.
Kadangi jis veikia kaip vienas junginys, tolueno ir vandens mišinys su tokia sudėtimi negali būti atskirtas paprasčiausiu distiliavimu.
Šį mišinį galite atskirti naudodami azeotropinį distiliavimą su pernešikliu arba ekstrahuojantį distiliavimą su tirpikliu.
Vaizdo įrašas: azeotropų poslinkis ir atskyrimas
Patarimas: jei reikia, įjunkite antraštės mygtuką. Jei nesate susipažinę su anglų kalba, nustatymų mygtuke pasirinkite „automatinis vertimas“. Gali tekti pirmiausia spustelėti vaizdo įrašo kalbą, kad jūsų mėgstamiausia kalba taptų prieinama versti.
Naudojimo atvejai
| Naudojamas: | Apibūdinimas: |
|---|---|
| Valomasis vanduo | Azeotropinis distiliavimas dažnai naudojamas vandeniui valyti, ypač puslaidininkių ir elektronikos pramonėje, kur reikalingas itin grynas vanduo. Azeotropinis distiliavimas naudojant įrankį gali pagaminti vandenį su labai mažais priemaišomis, kurie gali būti naudojami jautriose situacijose. |
| Tirpiklio regeneravimas | Azeotropinis distiliavimas naudojamas tirpikliams atskirti nuo reakcijos mišinių. Tai leidžia išgauti brangius arba sunkiai randamus tirpiklius ir vėl naudoti. Pavyzdžiui, azeotropinis distiliavimas gali būti naudojamas etanoliui atskirti nuo vandens, kuris vėliau gali būti naudojamas biokurui gaminti ar kitiems pramonės tikslams. |
| Eterinių aliejų ekstrahavimas | Populiarus būdas gauti eterinius aliejus iš augalų yra azeotropinis distiliavimas. Naudojant tarpiklį, azeotropinis distiliavimas iš augalų gali gauti daugiau eterinių aliejų nei tradicinis distiliavimas garais. Tai reiškia, kad aliejai bus kokybiškesni ir derliaus. |
| Polimerų valymas | Azeotropinis distiliavimas gali būti naudojamas pašalinti iš polimerų priemaišas, kurios gali pakeisti jų savybes arba jų veikimą. Pavyzdžiui, azeotropinis distiliavimas gali būti naudojamas polistirenui valyti, pašalinant visus likusius monomerus ir kitas priemaišas, kurios gali pakeisti polimero veikimo būdą. |
| Farmacijos gamyba | Azeotropinis distiliavimas dažnai naudojamas reakcijų mišiniams atskirti ir išvalyti gaminant vaistus. Pavyzdžiui, azeotropinis distiliavimas gali būti naudojamas reakcijų mišiniams atskirti ir išvalyti gaminant antibiotikus, todėl gaunami didelio grynumo produktai. |
Išvada
Apibendrinant, azeotropinis distiliavimas yra naudingas būdas atskirti sudėtingus mišinius į grynas dalis.
Tai galingas įrankis inžinieriams ir mokslininkams dėl unikalaus gebėjimo greitai pagaminti grynus komponentus.
Tačiau, kaip ir bet kuris atskyrimo metodas, jis turi savo ribas ir, kad gerai veiktų, reikia gerai apgalvoti mišinio sudėtį, nešiklio pasirinkimą ir proceso sąlygas.
Toliau nagrinėdami azeotropinio distiliavimo galimybes, nepamirškite, kad šis procesas yra ne tik techninis iššūkis, bet ir galimybė kūrybiškai spręsti problemas bei kurti naujas idėjas.
Jei teisingai galvojate apie azeotropinį distiliavimą, tai gali sukelti naujų inžinerinių atradimų ir idėjų.
Taigi būkite atviri ir išbandykite naujus dalykus. Yra daug variantų.
Pasidalinti…
