Azeotropická Destilácia: Oddelenie Kvapalných Zmesí

Ako inžinier alebo študent inžinierstva vždy hľadáte spôsoby, ako oddeliť a vyčistiť tekuté zmesi, ktoré sú rýchle a jednoduché.

Možno ste však nevedeli o azeotropickej destilácii.

Tento proces nielenže oddeľuje zmesi, ale môže tiež vyrábať čisté zložky, čo je ťažké dosiahnuť tradičnými destilačnými metódami.

Azeotropická destilácia je komplikovaný, ale zaujímavý proces, ktorý sa stal veľmi dôležitým v strojárskom a chemickom priemysle.

V tomto článku vysvetlím, ako funguje azeotropická destilácia, ako aj jej výhody, nevýhody a bežné použitie.

S týmito znalosťami budete môcť posunúť svoje separačné techniky na ďalšiu úroveň.

Úvod do azeotropickej destilácie

Formálna definícia:

Proces, pri ktorom sa kvapalná zmes rozdelí na čisté zložky pomocou ďalšej látky alebo rozpúšťadla.

Azeotropická destilácia je spôsob, ako oddeliť časti zmesi vytvorením azeotropu, čo je zmes častí, ktorá vrie pri rovnakej teplote.

Destilácia sa nemôže použiť na rozdelenie tohto druhu zmesi na jej časti, pretože všetky časti majú rovnaké množstvo pary a kvapaliny.

Extrakčná destilácia je na druhej strane podobný spôsob ako oddeľovanie zmesí, ale namiesto unášača používa na oddelenie zmesí rozpúšťadlo.

Azeotropická destilácia

Pri azeotropickej destilácii sa používa unášač na zmenu prchavosti rôznych častí zmesi, čo umožňuje ich oddelenie.

Spojením jednej alebo viacerých zložiek s unášačom sa vytvorí nový azeotrop.

Tento nový azeotrop je možné oddeliť od pôvodnej zmesi frakčnou destiláciou.

Unášač je zvyčajne časť zmesi, ktorá má nízku teplotu varu a vysokú relatívnu prchavosť v porovnaní s ostatnými časťami.

Ak zmes tvorí azeotrop s minimálnou teplotou varu, čo je azeotrop s najnižšou teplotou varu, unášač sa spojí s prchavejšou časťou pôvodnej zmesi za vzniku azeotropu.

V tomto prípade sa najskôr odparí azeotrop s najnižšou teplotou varu, ktorý sa vytvorí pri pridávaní unášača.

Toto sa nazýva destilát.

Ak nie, ak sa s unášačom vytvorí azeotrop s maximálnou teplotou varu, najskôr sa odparí prchavejšia časť pôvodnej zmesi.

To umožňuje frakčnou destiláciou oddeliť časti pôvodnej zmesi.

Extrakčná destilácia

Pri extrakčnej destilácii musí každá zmes používať iné separačné rozpúšťadlo a rozpúšťadlá by nemali mať tendenciu vytvárať azeotrop.

Rozpúšťadlo mení rovnováhu zmesi para-kvapalina, čo umožňuje oddelenie častí.

Extrakčná destilácia sa môže použiť na oddelenie zmesí, ktoré majú tendenciu vytvárať azeotropy, čo pri azeotropickej destilácii nie je možné.

Zmesi s konštantným varom

Zmes, ktorá vrie konštantnou rýchlosťou, tiež nazývaná "azeotropná" zmes, má účinky na frakčnú destiláciu menej ako ideálnych zmesí (azeotropov).

Ak je Raoultov zákon porušený pozitívnym spôsobom, vytvorí sa krivka tlaku pár s maximálnou hodnotou, ktorá nie je čistá A alebo čistá B.

Ak majú tieto zmesi veľa pary, ich body varu budú nízke.

Molekuly sa ľahko pohybujú a samotná frakčná destilácia nestačí na získanie čistého etanolu, pretože bude stále obsahovať vodu a iné nečistoty.

Umenie zložitých separácií: Skúmanie azeotropickej destilácie

Stále ťažké získať a ťažko pochopiť? Dovolím si trochu zmeniť uhol pohľadu:

Už vás nebavia tie staré nudné destilačné procesy, ktoré len oddeľujú zmesi bez toho, aby pridali nejaký extra nádych? Chcete, aby boli vaše separačné techniky ťažšie a mätúce, ako je potrebné? Nuž, mám pre vás odpoveď! Azeotropická destilácia je proces, ktorý vyžaduje jednoduchú separáciu a premení ju na bludisko ďalších látok a rozpúšťadiel.

Prečo používať len jednu vec na oddelenie zmesí, keď môžete použiť dve alebo tri? Kto chce byť jednoduchý, keď vy môžete byť komplikovaný? Azeotropická destilácia: Niekedy je najlepším spôsobom, ako vyčistiť časti, urobiť proces čo najkomplikovanejším.

Dobre, to bol len vtip prezlečený za televíznu reklamu. Teraz sa vráťme k vysvetleniu.

Proces azeotropnej destilácie

Azeotropická destilácia má veľa výhod oproti iným spôsobom oddeľovania vecí, ako napríklad, aké ľahké je oddeliť unášač a požadovaný produkt, aké ľahké je použitie, ako málo energie spotrebuje a aké je to lacné.

Typy Entrainers

Pre azeotropickú destiláciu existujú tri typy unášačov: homogénne, heterogénne a extrakčné.

Homogénne unášače sa môžu miešať so všetkými zložkami krmiva, ale heterogénne unášače tvoria dve kvapalné fázy, ktoré sa nemôžu zmiešať.

Extrakčné unášače nevytvárajú azeotrop so žiadnou zo zložiek krmiva.

Namiesto toho odstraňujú iba viac polárne alebo menej polárne zložky na základe ich polarity.

Homogénna a heterogénna azeotropická destilácia

Existujú dva typy azeotropickej destilácie, nazývané homogénna a heterogénna, ktoré závisia od toho, ako unášač interaguje s kŕmnou zmesou.

Homogénna azeotropická destilácia sa ľahšie používa a je účinnejšia ako heterogénna azeotropická destilácia, pretože unášač sa môže zmiešať so všetkými zložkami v krmive.

Heterogénna azeotropická destilácia na druhej strane využíva unášač, ktorý sa nemôže zmiešať so žiadnou časťou kŕmnej zmesi.

To môže spôsobiť zlyhanie kolóny pri malých zmenách tlaku alebo odstavenie dekantéra s malými netesnosťami.

Je teda viac ovplyvnená tým, ako prebieha, ako homogénna azeotropická destilácia.

Obmedzenia azeotropickej destilácie

Azeotropická destilácia má určité výhody, ale má aj určité problémy.

Niektoré roztoky nemožno oddeliť aj destiláciou, ak majú azeotropy v rovnovážnom stave para-kvapalina.

Tiež výber azeotropného činidla môže mať veľký vplyv na proces a ak sa s ním nesprávne zaobchádza, môže znečistiť životné prostredie.

Použitie azeotropickej destilácie tiež stále využíva veľa energie a nemusí vždy produkovať úroveň čistoty, ktorá je potrebná pre cieľové produkty.

Aplikácie azeotropnej destilácie

Dehydratácia etanolu

Jedným z najznámejších spôsobov použitia azeotropickej destilácie je odstránenie vody zo zmesí etanolu a vody.

Azeotropická zmes ide do poslednej kolóny, kde prebieha azeotropická destilácia.

V minulosti sa na to používalo veľa rôznych unášačov, no najviac sa používal benzén, kým sa nezistilo, že spôsobuje rakovinu.

V modernej vede sa väčšinou na rozbitie azeotropu etanol-voda používa cyklohexán.

Tento proces je veľmi dôležitý v priemysle palív a etanolu, kde je potrebné odobrať vodu z etanolu, aby sa zabránilo poruche motora a aby sa zvýšilo množstvo etanolu v palivových zmesiach.

Heterogénna azeotropická destilácia

Pridanie unášača, ktorý vytvára oddelenú fázu, je súčasťou podskupiny metód priemyselnej azeotropickej destilácie.

Podobne ako pri extrakčnej destilácii sa tento proces pridávania unášača, ktorý vytvára novú fázu, nazýva strhávanie.

Bežným spôsobom použitia tejto metódy je zmiešanie benzénu s vodou a etanolom za vzniku nového heterogénneho azeotropu s nižšou teplotou varu, ktorý je možné oddeliť bežným spôsobom.

Táto metóda je obzvlášť užitočná na zbavenie sa nečistôt v organických rozpúšťadlách, čistenie esenciálnych olejov a získanie uhľovodíkov späť.

Iné použitia

Azeotropická destilácia má okrem dehydratácie etanolu a heterogénnej azeotropnej destilácie množstvo využití v priemysle, ako napríklad:

• Izoméry, ktoré majú takmer rovnaké fyzikálne a chemické vlastnosti, možno oddeliť pomocou azeotropickej destilácie.
• Azeotropická destilácia sa používa vo farmaceutickom, chemickom a polymérnom priemysle na získanie rozpúšťadiel späť z odpadových tokov.
• Kyslé plyny sa odoberajú z prúdov zemného plynu pomocou procesu nazývaného azeotropická destilácia.
• Separácia esenciálnych olejov: Azeotropická destilácia sa používa na oddelenie a čistenie esenciálnych olejov z rastlinnej hmoty.
• Odstránenie vody z rozpúšťadiel: Azeotropická destilácia sa používa v chemickom a farmaceutickom priemysle na odstránenie vody z rozpúšťadiel.

Výzvy v azeotropickej destilácii

Azeotropická destilácia je dobrý spôsob, ako oddeliť azeotropické zmesi, ale prichádza s niektorými problémami, ktoré je potrebné riešiť, aby sa dosiahli čo najlepšie výsledky.

Výber trénera:

Pri syntéze a koncepčnom návrhu procesov AD je výber unášača veľmi dôležitý, pretože určuje poradie separácie.

Unášač musí tvoriť silný azeotrop s jednou zo zložiek zmesi a musí sa dať ľahko oddeliť od požadovaného produktu.

Voľba unášača ovplyvňuje kvalitu a čistotu produktu a ak sa nesprávne používa, môže aj znečisťovať životné prostredie.

Exces Entrainer's Effects:

Pridanie nadmerného množstva unášača môže spôsobiť zvýšenie spotreby energie, pretože dodatočný unášač musí byť oddelený od požadovaného produktu.

To môže zvýšiť náklady na výrobu produktu a môže tiež znížiť jeho kvalitu.

V niektorých prípadoch môže nadbytok unášača viesť k vytvoreniu tretieho azeotropu, čo môže skomplikovať proces separácie.

Nedostatočný unášač:

Ak použijete príliš málo unášača, produkt nemusí byť úplne oddelený alebo nemusí byť taký čistý.

Takže pri azeotropickej destilácii by malo byť množstvo unášača optimalizované tak, aby sa požadovaná úroveň separácie a čistoty mohla dosiahnuť s čo najmenším množstvom energie a nákladov.

Ako sa vyrábajú azeotropy:

Keď unášač zmení relatívnu prchavosť azeotropnej zmesi, vytvorí azeotrop s maximálnou teplotou varu alebo s minimálnou teplotou varu.

Pridanie unášača môže ďalej zvýšiť čistotu azeotropnej zložky.

Ale ak si vyberiete príliš veľa alebo príliš málo unášača, môže to zmeniť, ako dobre funguje separačný proces.

Po azeotropickom bode:

Destilácia azeotropickej zmesi za jej azeotropným bodom je možná, ale tento proces využíva alternatívne nákladné separačné techniky, ako je tlaková destilácia.

Namiesto pokusu o destiláciu za azeotropný bod je dôležité nájsť správne množstvo unášača, aby sa dosiahla dobrá separácia.

Azeotropická destilácia v praxi

Unášače v azeotropickej destilácii

Pretože môže tvoriť azeotrop s nízkou teplotou varu s vodou, benzén sa často používal ako unášač pri destilácii azeotropu.

Toluén je však lepší ako benzén, pretože benzén môže spôsobiť rakovinu.

Unášač funguje dobre, ak sa môže spojiť s jednou zo zložiek kŕmnej zmesi a vytvoriť nový azeotrop.

To mení relatívnu volatilitu zložiek a umožňuje ich oddelenie.

Unášač by sa mal dať ľahko oddeliť od požadovaného produktu a môžete ho získať späť destiláciou, dekantáciou alebo inou metódou.

Pri azeotropickej destilácii závisí účinok príliš veľkého množstva unášača od použitého systému.

Keď sa pridá príliš veľa unášača, množstvo použitej energie sa zvýši, pretože extra unášač sa musí oddeliť od požadovaného produktu.

To môže zvýšiť náklady na výrobu produktu a môže tiež znížiť jeho kvalitu.

Niekedy môže príliš veľa unášača spôsobiť vytvorenie tretieho azeotropu, čo môže sťažiť proces oddeľovania.

Na druhej strane, ak použijete príliš málo unášača, produkt nemusí byť úplne oddelený alebo nemusí byť taký čistý.

Preto by sa malo použiť správne množstvo unášača, aby sa dosiahla potrebná úroveň separácie a čistoty s čo najmenším množstvom energie a nákladov.

Hlboké eutektické rozpúšťadlá (DES) sú čoraz populárnejšie ako unášače pri azeotropickej destilácii, pretože sú pre životné prostredie lepšie ako tradičné rozpúšťadlá.

Azeotropické zmesi ako benzén-cyklohexán a acetonitril-voda sa dajú ľahko oddeliť pomocou DES.

DES možno použiť aj v technike nazývanej "extraktívna destilácia", ktorá je podobná destilácii a zahŕňa pridanie rozpúšťadla, aby sa dostala von jedna z častí kŕmnej zmesi.

Azeotropická destilácia v porovnaní s parnou destiláciou

Pri destilácii vodnou parou sú materiály citlivé na teplo, ako sú prírodné aromatické zlúčeniny, oddelené od organických materiálov.

Azeotropická destilácia sa na druhej strane používa na oddelenie častí azeotropnej zmesi.

Zmesi, ktoré sú azeotropné, sa ťažko oddeľujú tradičnou destiláciou, pretože ich body varu zostávajú rovnaké a výpary sú rovnaké ako kvapalná zmes.

Keďže destilácia vodnou parou sa používa na oddelenie materiálov citlivých na teplo, je ťažké povedať, aká je azeotropická teplota vody a toluénu.

Na druhej strane toluén a voda tvoria azeotrop pri 84,1 °C, ktorý sa skladá z 22,85 % vody a 77,15 % hmotn. Toluénu.

Keďže pôsobí ako jedna zlúčenina, zmes toluénu a vody s touto zložkou nemožno ďalej oddeliť jednoduchou destiláciou.

Túto zmes môžete oddeliť pomocou azeotropickej destilácie s unášačom alebo extrakčnej destilácie s rozpúšťadlom.

Video: Posun a separácia azeotropu

Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s anglickým jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.

Prípady použitia

Použité v:	Popis:
Čistiaca voda	Azeotropická destilácia sa často používa na čistenie vody, najmä v polovodičovom a elektronickom priemysle, kde je potrebná ultračistá voda. S pomocou unášača môže azeotropická destilácia vyrobiť vodu s veľmi malým množstvom nečistôt, ktoré možno použiť v citlivých situáciách.
Regenerácia rozpúšťadla	Azeotropická destilácia sa používa na oddelenie rozpúšťadiel z reakčných zmesí. To umožňuje získať a znova použiť drahé alebo ťažko dostupné rozpúšťadlá. Napríklad azeotropická destilácia sa môže použiť na oddelenie etanolu od vody, ktorá sa potom môže použiť na výrobu biopalív alebo na iné priemyselné účely.
Extrakcia esenciálneho oleja	Obľúbeným spôsobom získavania esenciálnych olejov z rastlín je použitie azeotropickej destilácie. Pomocou unášača môže azeotropická destilácia dostať z rastlín viac esenciálnych olejov ako tradičná destilácia vodnou parou. To znamená, že oleje budú kvalitnejšie a vynesú viac.
Čistenie polymérov	Azeotropická destilácia sa môže použiť na odstránenie nečistôt z polymérov, ktoré by mohli zmeniť ich vlastnosti alebo ako dobre fungujú. Napríklad azeotropická destilácia sa môže použiť na čistenie polystyrénu odstránením všetkých zvyškov monomérov a iných nečistôt, ktoré by mohli zmeniť spôsob, akým polymér funguje.
Farmaceutická výroba	Azeotropická destilácia sa často používa na oddelenie a čistenie reakčných zmesí počas výroby liečiv. Napríklad azeotropická destilácia sa môže použiť na oddelenie a čistenie reakčných zmesí pri výrobe antibiotík, výsledkom čoho sú produkty s vysokou čistotou.

Záver

Na záver, azeotropická destilácia je užitočný spôsob, ako rozdeliť komplikované zmesi na ich čisté časti.

Je to výkonný nástroj pre inžinierov a vedcov, pretože má jedinečnú schopnosť rýchlo vyrábať čisté komponenty.

Ale ako každá separačná metóda má svoje limity a vyžaduje si dôkladné premyslenie zloženia zmesi, výberu unášača a podmienok procesu, aby dobre fungovala.

Pri ďalšom skúmaní možností azeotropickej destilácie majte na pamäti, že tento proces nie je len technickou výzvou, ale aj príležitosťou na kreatívne riešenie problémov a nové nápady.

Ak uvažujete o azeotropickej destilácii správnym spôsobom, môže to viesť k novým inžinierskym objavom a nápadom.

Majte preto otvorenú myseľ a skúšajte nové veci. Možností je veľa.