Kā inženieris vai inženierzinātņu students jūs vienmēr meklējat veidus, kā ātri un vienkārši atdalīt un attīrīt šķidros maisījumus.
Bet jūs, iespējams, nezināt par azeotropo destilāciju.
Šis process ne tikai atdala maisījumus, bet arī var izgatavot tīras sastāvdaļas, ko ir grūti izdarīt ar tradicionālajām destilācijas metodēm.
Azeotropā destilācija ir sarežģīts, bet interesants process, kas kļuvis ļoti nozīmīgs mašīnbūves un ķīmiskajā rūpniecībā.
Šajā rakstā es paskaidrošu, kā darbojas azeotropā destilācija, kā arī tās priekšrocības, trūkumi un parastās izmantošanas iespējas.
Izmantojot šīs zināšanas, jūs varēsiet pacelt savas atdalīšanas metodes nākamajā līmenī.
Ievads azeotropajā destilācijā
Formālā definīcija:
Process, kurā šķidru maisījumu sadala tīrās sastāvdaļās ar papildu vielas vai šķīdinātāja palīdzību.
Azeotropā destilācija ir veids, kā atdalīt maisījuma daļas, izveidojot azeotropu, kas ir daļu maisījums, kas vārās vienā un tajā pašā temperatūrā.
Destilāciju nevar izmantot, lai sadalītu šāda veida maisījumu daļās, jo visās daļās ir vienāds tvaiku un šķidruma daudzums.
Savukārt ekstrahējošā destilācija ir līdzīgs maisījumu atdalīšanas veids, taču maisījuma atdalīšanai tiek izmantots šķīdinātājs.
Azeotropā destilācija
Azeotropā destilācijā tiek izmantots savācējs, lai mainītu dažādu maisījuma daļu gaistošu daudzumu, kas ļauj tās atdalīt.
Apvienojot vienu vai vairākas sastāvdaļas ar aizvedēju, tiek izveidots jauns azeotrops.
Šo jauno azeotropu var atdalīt no sākotnējā maisījuma ar frakcionētu destilāciju.
Ienesējs parasti ir maisījuma daļa, kurai ir zems viršanas punkts un augsta relatīvā nepastāvība salīdzinājumā ar citām daļām.
Ja maisījums veido azeotropu ar minimālu viršanas temperatūru, kas ir azeotrops ar zemāko viršanas temperatūru, sūcējs apvienosies ar sākotnējā maisījuma gaistošāko daļu, veidojot azeotropu.
Šajā gadījumā vispirms iztvaiko azeotrops ar viszemāko viršanas temperatūru, kas veidojas, pievienojot tvertni.
To sauc par destilātu.
Ja nē, tad, ja kopā ar šķīdinātāju veidojas azeotrops ar maksimālo viršanas temperatūru, sākotnējā maisījuma gaistošākā daļa vispirms iztvaiko.
Tas dod iespēju frakcionētai destilācijai atdalīt sākotnējā maisījuma daļas.
Ekstrakcijas destilācija
Ekstraktīvajā destilācijā katram maisījumam jāizmanto cits atdalīšanas šķīdinātājs, un šķīdinātājiem nevajadzētu veidot azeotropu.
Šķīdinātājs maina maisījuma tvaiku un šķidruma līdzsvaru, kas ļauj atdalīt daļas.
Ekstraktīvo destilāciju var izmantot, lai atdalītu maisījumus, kuriem ir tendence veidot azeotropus, kas nav iespējams ar azeotropo destilāciju.
Pastāvīgi vāroši maisījumi
Maisījums, kas vārās nemainīgā ātrumā, ko sauc arī par "azeotropu" maisījumu, ietekmē mazāk par ideālu maisījumu (azeotropu) frakcionētu destilāciju.
Ja Raula likums tiek pārkāpts pozitīvā veidā, tas veido tvaika spiediena līkni ar maksimālo vērtību, kas nav tīra A vai tīra B.
Ja šajos maisījumos ir daudz tvaika, to viršanas temperatūra būs zema.
Molekulas viegli pārvietojas, un ar frakcionētu destilāciju vien nepietiek, lai iegūtu tīru etanolu, jo tajā joprojām būs ūdens un citi piemaisījumi.
Sarežģītas atdalīšanas māksla: azeotropās destilācijas izpēte
Joprojām grūti uztvert un grūti saprast? Ļaujiet man nedaudz mainīt viedokli:
Vai esat noguris no tiem pašiem vecajiem garlaicīgiem destilācijas procesiem, kas tikai atdala maisījumus, nepievienojot nekādu papildu nojausmu? Vai vēlaties padarīt savas atdalīšanas metodes grūtākas un mulsinošākas, nekā tām vajadzētu būt? Nu, man jums ir atbilde! Azeotropā destilācija ir process, kas prasa vienkāršu atdalīšanu un pārvērš to papildu vielu un šķīdinātāju labirintā.
Kāpēc maisījumu atdalīšanai izmantot tikai vienu lietu, ja var izmantot divas vai trīs? Kurš gan vēlas būt vienkāršs, ja tu vari būt sarežģīts? Azeotropā destilācija: dažreiz labākais veids, kā notīrīt detaļas, ir padarīt procesu pēc iespējas sarežģītāku.
Labi, tas bija tikai joks, kas maskēts kā TV reklāma. Tagad atgriezīsimies pie skaidrojuma.
Azeotropās destilācijas process
Azeotropajai destilācijai ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar citiem veidiem, kā atdalīt lietas, piemēram, cik viegli ir atdalīt ievedēju un vēlamo produktu, cik viegli to izmantot, cik maz enerģijas tā patērē un cik tā ir lēta.
Traineru veidi
Azeotropai destilācijai ir trīs veidu aizvedēji: viendabīgi, neviendabīgi un ekstrahējoši.
Viendabīgi ievedēji var sajaukties ar visiem barības komponentiem, bet neviendabīgi ievedēji veido divas šķidrās fāzes, kuras nevar sajaukties.
Ekstrahējošie ievedēji nerada azeotropu ar kādu no barības sastāvdaļām.
Tā vietā tie noņem tikai polārākos vai mazāk polāros komponentus, pamatojoties uz to polaritāti.
Homogēna un heterogēna azeotropā destilācija
Ir divi azeotropās destilācijas veidi, saukti par viendabīgu un neviendabīgu, un tie ir atkarīgi no tā, kā aizvedējs mijiedarbojas ar barības maisījumu.
Homogēnā azeotropā destilācija ir vieglāk lietojama un efektīvāka nekā neviendabīga azeotropā destilācija, jo filtrs var sajaukties ar visām barības sastāvdaļām.
Savukārt neviendabīgā azeotropā destilācijā tiek izmantots aizvedējs, kas nevar sajaukties ar nevienu barības maisījuma daļu.
Tas var izraisīt kolonnas atteici ar nelielām spiediena izmaiņām vai dekantera izslēgšanos ar nelielām noplūdēm.
Tātad to vairāk ietekmē darbības veids, nevis viendabīga azeotropā destilācija.
Azeotropās destilācijas ierobežojumi
Azeotropajai destilācijai ir dažas priekšrocības, taču tai ir arī dažas problēmas.
Dažus šķīdumus nevar atdalīt arī destilējot, ja tiem ir azeotropi tvaiku-šķidruma līdzsvara stāvokļos.
Arī azeotropā līdzekļa izvēle var būtiski ietekmēt procesu un, ja ar to netiek pareizi rīkoties, var piesārņot vidi.
Turklāt azeotropās destilācijas izmantošana joprojām patērē daudz enerģijas, un tā ne vienmēr var nodrošināt mērķa produktiem nepieciešamo tīrības līmeni.
Azeotropās destilācijas pielietojumi
Etanola dehidratācija
Viens no vispazīstamākajiem azeotropās destilācijas izmantošanas veidiem ir ūdens atdalīšana no etanola un ūdens maisījumiem.
Azeotropais maisījums nonāk pēdējā kolonnā, kur notiek azeotropā destilācija.
Agrāk šim nolūkam izmantoja daudz dažādu izvadītāju, bet benzols tika izmantots visvairāk, līdz tika atklāts, ka tas izraisa vēzi.
Lielāko daļu laika mūsdienu zinātnē cikloheksānu izmanto, lai izjauktu etanola-ūdens azeotropu.
Šis process ir ļoti svarīgs degvielas etanola nozarē, kur no etanola ir jāizņem ūdens, lai dzinēji nesabojātos un palielinātu etanola daudzumu degvielas maisījumos.
Heterogēna azeotropā destilācija
Ievadītāja pievienošana, kas veido atsevišķu fāzi, ir daļa no rūpnieciskās azeotropās destilācijas metožu apakškopas.
Līdzīgi kā ekstrakcijas destilācijai, šis process, kurā tiek pievienots šķīdinātājs, kas veido jaunu fāzi, tiek saukts par ievilkšanu.
Izplatīts veids, kā izmantot šo metodi, ir sajaukt benzolu ar ūdeni un etanolu, lai izveidotu jaunu neviendabīgu azeotropu ar zemāku viršanas temperatūru, ko var atdalīt parastajā veidā.
Šī metode ir īpaši noderīga, lai atbrīvotos no piemaisījumiem organiskajos šķīdinātājos, attīrītu ēteriskās eļļas un atgūtu ogļūdeņražus.
Citi lietojumi
Azeotropai destilācijai rūpniecībā ir vairāki pielietojumi, izņemot etanola dehidratāciju un neviendabīgu azeotropo destilāciju, piemēram:
- Izomērus, kuriem ir gandrīz vienādas fizikālās un ķīmiskās īpašības, var atdalīt, izmantojot azeotropo destilāciju.
- Azeotropo destilāciju izmanto farmācijas, ķīmiskajā un polimēru rūpniecībā, lai šķīdinātājus atgūtu no atkritumu plūsmām.
- Skābās gāzes tiek izņemtas no dabasgāzes plūsmām, izmantojot procesu, ko sauc par azeotropo destilāciju.
- Ēterisko eļļu atdalīšana: azeotropo destilāciju izmanto, lai atdalītu un attīrītu ēteriskās eļļas no augu vielas.
- Ūdens atdalīšana no šķīdinātājiem: Azeotropo destilāciju izmanto ķīmiskajā un farmācijas rūpniecībā, lai atdalītu ūdeni no šķīdinātājiem.
Azeotropās destilācijas problēmas
Azeotropā destilācija ir labs veids, kā atdalīt azeotropos maisījumus, taču tas ir saistīts ar dažām problēmām, kas jārisina, lai iegūtu labākos rezultātus.
Trainera izvēle:
AD procesu sintēzē un konceptuālajā izstrādē ļoti svarīga ir ievedēja izvēle, jo tā nosaka atdalīšanas secību.
Ievedējam ir jāveido spēcīgs azeotrops ar kādu no maisījuma sastāvdaļām un jābūt viegli atdalāmam no vēlamā produkta.
Ievedēja izvēle ietekmē produkta kvalitāti un tīrību, un, ja tas netiek pareizi lietots, tas var arī piesārņot vidi.
Pārmērīga aizrautēja ietekme:
Pārmērīga daudzuma ievadīšanas pievienošana var izraisīt enerģijas patēriņa pieaugumu, jo papildu ievedējs ir jāatdala no vēlamā produkta.
Tas var paaugstināt produkta ražošanas izmaksas un arī pazemināt tā kvalitāti.
Dažos gadījumos pārsātinātāja pārpalikums var izraisīt trešā azeotropa veidošanos, kas var sarežģīt atdalīšanas procesu.
Nepietiekams ievadītājs:
Ja lietojat pārāk maz līdzekļa, produkts var nebūt pilnībā atdalīts vai var nebūt tik tīrs.
Tātad azeotropajā destilācijā ir jāoptimizē ienesēja daudzums, lai ar vismazāko enerģijas daudzumu un izmaksām varētu sasniegt vēlamo atdalīšanas un tīrības līmeni.
Kā tiek izgatavoti azeotropi:
Kad pārnēsātājs maina azeotropā maisījuma relatīvo gaistamību, tas veido vai nu maksimālās viršanas, vai minimālās viršanas azeotropu.
Ievadītāja pievienošana var vēl vairāk uzlabot azeotropās sastāvdaļas tīrību.
Bet, ja izvēlaties pārāk daudz vai pārāk maz līdzekļa, tas var mainīt atdalīšanas procesa darbību.
Pēc azeotropā punkta:
Azeotropā maisījuma destilēšana ārpus tā azeotropā punkta ir iespējama, taču šajā procesā tiek izmantotas alternatīvas izmaksu ziņā ietilpīgas atdalīšanas metodes, piemēram, spiediena svārstību destilācija.
Tā vietā, lai mēģinātu destilēt pāri azeotropajam punktam, ir svarīgi atrast pareizo ievadīšanas daudzumu, lai iegūtu labu atdalīšanu.
Azeotropā destilācija praksē
Entrainers azeotropajā destilācijā
Tā kā benzols ar ūdeni var veidot azeotropu ar zemu viršanas temperatūru, azeotropu destilācijā benzols bieži tika izmantots kā aizvedējs.
Tomēr toluols ir labāks par benzolu, jo benzols var izraisīt vēzi.
Enerģija darbojas labi, ja to var apvienot ar kādu no barības maisījuma sastāvdaļām, veidojot jaunu azeotropu.
Tas maina komponentu relatīvo nepastāvību un ļauj tos atdalīt.
Tvertnei jābūt viegli atdalāmai no vēlamā produkta, un to var atgūt, destilējot, dekantējot vai izmantojot kādu citu metodi.
Azeotropā destilācijā pārāk liela destilētāja ietekme ir atkarīga no izmantotās sistēmas.
Ja tiek pievienots pārāk daudz izvadītāja, patērētās enerģijas daudzums palielinās, jo papildu ievadītājs ir jāatdala no vēlamā produkta.
Tas var paaugstināt produkta ražošanas izmaksas un arī pazemināt tā kvalitāti.
Dažkārt pārāk daudz izvadītāja var izraisīt trešā azeotropa veidošanos, kas var apgrūtināt atdalīšanas procesu.
No otras puses, ja lietojat pārāk maz līdzekļa, produkts var nebūt pilnībā atdalīts vai var nebūt tik tīrs.
Tāpēc ir jāizmanto pareizais ievadīšanas daudzums, lai iegūtu nepieciešamo atdalīšanas un tīrības līmeni ar vismazāko enerģijas daudzumu un izmaksām.
Dziļieutektiskie šķīdinātāji (DES) kļūst arvien populārāki kā aizvadītāji azeotropajā destilācijā, jo tie ir labāki videi nekā tradicionālie šķīdinātāji.
Azeotropos maisījumus, piemēram, benzola-cikloheksānu un acetonitrila-ūdeni, ir viegli atdalīt ar DES.
DES var izmantot arī tehnikā, ko sauc par "ekstraktīvā destilāciju", kas ir līdzīga destilācijai un ietver šķīdinātāja pievienošanu, lai izdalītu vienu no barības maisījuma daļām.
Azeotropā destilācija salīdzinājumā ar tvaika destilāciju
Ar tvaika destilāciju no organiskiem materiāliem atdala termiski jutīgus materiālus, piemēram, dabiskos aromātiskos savienojumus.
Savukārt azeotropo destilāciju izmanto, lai atdalītu azeotropā maisījuma daļas.
Azeotropus maisījumus ir grūti atdalīt ar tradicionālo destilāciju, jo to viršanas temperatūra paliek nemainīga un tvaiki ir tādi paši kā šķidrajam maisījumam.
Tā kā tvaika destilāciju izmanto, lai atdalītu materiālus, kas ir jutīgi pret siltumu, ir grūti pateikt, kāda ir ūdens un toluola azeotropā temperatūra.
No otras puses, toluols un ūdens veido azeotropu 84,1 ° C temperatūrā, kas sastāv no 22,85% ūdens un 77,15% toluola.
Tā kā tas darbojas kā viens savienojums, toluola un ūdens maisījumu ar šo sastāvu nevar tālāk atdalīt ar vienkāršu destilāciju.
Šo maisījumu var atdalīt, izmantojot azeotropo destilāciju ar šķīdinātāju vai ekstrakcijas destilāciju ar šķīdinātāju.
Video: Azeotropu pārvietošana un atdalīšana
Padoms. Ja nepieciešams, ieslēdziet parakstu pogu. Iestatījumu pogā izvēlieties “automātiskais tulkojums”, ja nezināt angļu valodu. Iespējams, vispirms būs jānoklikšķina uz videoklipa valodas, pirms jūsu iecienītākā valoda kļūst pieejama tulkošanai.
Lietošanas gadījumi
| Izmanto: | Apraksts: |
|---|---|
| Tīrīšanas ūdens | Azeotropo destilāciju bieži izmanto ūdens attīrīšanai, īpaši pusvadītāju un elektronikas nozarēs, kur nepieciešams īpaši tīrs ūdens. Ar izvadītāja palīdzību azeotropā destilācija var iegūt ūdeni ar ļoti maziem piemaisījumiem, ko var izmantot jutīgās situācijās. |
| Šķīdinātāja atgūšana | Azeotropo destilāciju izmanto, lai atdalītu šķīdinātājus no reakcijas maisījumiem. Tas ļauj atgūt dārgus vai grūti atrodamus šķīdinātājus un izmantot tos vēlreiz. Piemēram, azeotropo destilāciju var izmantot, lai atdalītu etanolu no ūdens, ko pēc tam var izmantot biodegvielas ražošanai vai citiem rūpnieciskiem mērķiem. |
| Ēterisko eļļu ekstrakcija | Populārs veids, kā iegūt ēteriskās eļļas no augiem, ir izmantot azeotropo destilāciju. Izmantojot devēju, azeotropā destilācija var iegūt vairāk ēterisko eļļu no augiem nekā tradicionālā tvaika destilācija. Tas nozīmē, ka eļļas būs kvalitatīvākas un ražīgākas. |
| Polimēru attīrīšana | Azeotropo destilāciju var izmantot, lai no polimēriem noņemtu piemaisījumus, kas varētu mainīt to īpašības vai to darbības efektivitāti. Piemēram, azeotropo destilāciju var izmantot, lai attīrītu polistirolu, atbrīvojoties no visiem atlikušajiem monomēriem un citiem piemaisījumiem, kas varētu mainīt polimēra darbību. |
| Farmaceitiskā ražošana | Azeotropo destilāciju bieži izmanto reakcijas maisījumu atdalīšanai un attīrīšanai zāļu ražošanas laikā. Piemēram, azeotropo destilāciju var izmantot, lai atdalītu un attīrītu reakcijas maisījumus antibiotiku ražošanā, tādējādi iegūstot augstas tīrības pakāpes produktus. |
Secinājums
Visbeidzot, azeotropā destilācija ir noderīgs veids, kā sadalīt sarežģītus maisījumus to tīrajās daļās.
Tas ir spēcīgs rīks inženieriem un zinātniekiem, jo tas spēj ātri izgatavot tīras sastāvdaļas.
Taču, tāpat kā jebkurai atdalīšanas metodei, tai ir savas robežas, un, lai tā labi darbotos, ir rūpīgi jāpārdomā maisījuma sastāvs, trauka izvēle un procesa apstākļi.
Turpinot pētīt azeotropās destilācijas iespējas, paturiet prātā, ka šis process ir ne tikai tehnisks izaicinājums, bet arī iespēja radoši risināt problēmas un radīt jaunas idejas.
Ja jūs pareizi domājat par azeotropo destilāciju, tas var novest pie jauniem inženiertehniskiem atklājumiem un idejām.
Tāpēc esiet atvērts un izmēģiniet jaunas lietas. Ir daudz iespēju.
Kopīgot…
