Azeotropna Destilacija: Ločevanje Tekočih Mešanic

Kot inženir ali študent strojništva vedno iščete načine za ločevanje in čiščenje tekočih mešanic, ki so hitri in enostavni.

Toda morda ne poznate azeotropne destilacije.

Ne samo, da ta postopek ločuje zmesi, ampak lahko ustvari tudi čiste komponente, kar je težko storiti s tradicionalnimi metodami destilacije.

Azeotropna destilacija je zapleten, a zanimiv proces, ki je postal zelo pomemben v inženirski in kemični industriji.

V tem članku bom razložil, kako deluje azeotropna destilacija, pa tudi njene prednosti, slabosti in običajne uporabe.

S tem znanjem boste lahko svoje tehnike ločevanja dvignili na višjo raven.

Uvod v azeotropno destilacijo

Formalna opredelitev:

Postopek, pri katerem se tekoča mešanica loči na čiste komponente s pomočjo dodatne snovi ali topila.

Azeotropna destilacija je način ločevanja delov zmesi z izdelavo azeotropa, ki je zmes delov, ki vre pri isti temperaturi.

Destilacije ni mogoče uporabiti za ločevanje te mešanice na dele, ker imajo vsi deli enako količino hlapov in tekočine.

Ekstrakcijska destilacija je po drugi strani podoben način ločevanja zmesi, vendar namesto entrainerja za ločevanje zmesi uporablja topilo.

Azeotropna destilacija

Pri azeotropni destilaciji se entrainer uporablja za spreminjanje hlapnosti različnih delov mešanice, kar omogoča njihovo ločevanje.

S kombiniranjem ene ali več komponent z entrainerjem nastane nov azeotrop.

Ta novi azeotrop je mogoče ločiti od prvotne mešanice s frakcijsko destilacijo.

Entrainer je običajno del mešanice, ki ima nizko vrelišče in visoko relativno hlapnost v primerjavi z drugimi deli.

Če zmes tvori azeotrop z minimalnim vreliščem, ki je azeotrop z najnižjim vreliščem, se bo entrainer združil z bolj hlapnim delom prvotne zmesi, da bo nastal azeotrop.

V tem primeru najprej izhlapi azeotrop z najnižjim vreliščem, ki nastane, ko dodamo entrainer.

To se imenuje destilat.

Če ne, če z entrainerjem nastane azeotrop z najvišjim vreliščem, bo bolj hlapni del prvotne zmesi najprej izhlapel.

To omogoča frakcijsko destilacijo za ločevanje delov prvotne mešanice.

Ekstrakcijska destilacija

Pri ekstraktivni destilaciji mora vsaka mešanica uporabiti drugačno topilo za ločevanje, topila pa ne smejo biti nagnjena k tvorbi azeotropa.

Topilo spremeni ravnotežje pare in tekočine v zmesi, kar omogoča ločevanje delov.

Ekstrakcijsko destilacijo lahko uporabimo za ločevanje zmesi, ki težijo k tvorbi azeotropov, kar pri azeotropni destilaciji ni mogoče.

Mešanice s stalnim vreliščem

Zmes, ki vre s konstantno hitrostjo, imenovana tudi "azeotropna" zmes, vpliva na frakcijsko destilacijo manj kot idealnih mešanic (azeotropov).

Če se Raoultov zakon krši na pozitiven način, ustvari krivuljo parnega tlaka z največjo vrednostjo, ki ni čisti A ali čisti B.

Če imajo te mešanice veliko pare, bodo njihova vrelišča nizka.

Molekule se zlahka premikajo in samo frakcijska destilacija ni dovolj, da bi dobili čisti etanol, ker bo še vedno vseboval vodo in druge nečistoče.

Umetnost zapletenega ločevanja: raziskovanje azeotropne destilacije

Še vedno težko dobiti in težko razumeti? Naj malo spremenim pogled:

Ste naveličani istih starih dolgočasnih destilacijskih postopkov, ki samo ločujejo mešanice brez dodajanja dodatnega pridiha? Ali želite narediti svoje tehnike ločevanja težje in bolj zmedene, kot bi morale biti? No, imam odgovor za vas! Azeotropna destilacija je postopek, ki vključuje preprosto ločevanje in ga spremeni v labirint dodatnih snovi in ​​topil.

Zakaj bi uporabljali samo eno stvar za ločevanje mešanic, če lahko uporabite dve ali tri? Kdo želi biti preprost, če si lahko zapleten? Azeotropna destilacija: včasih je najboljši način za čiščenje vaših delov ta, da naredite postopek čim bolj zapleten.

OK, to je bila samo šala, preoblečena v TV reklamo. Zdaj pa se vrnimo k razlagi.

Postopek azeotropne destilacije

Azeotropna destilacija ima veliko prednosti pred drugimi načini ločevanja stvari, na primer, kako enostavno je ločiti entrainer in želeni izdelek, kako enostavna je za uporabo, kako malo energije porabi in kako poceni je.

Vrste entrainerjev

Za azeotropno destilacijo obstajajo tri vrste entrainerjev: homogeni, heterogeni in ekstraktivni.

Homogeni entrainers se lahko mešajo z vsemi komponentami krme, vendar heterogeni entrainers tvorijo dve tekoči fazi, ki se ne moreta mešati.

Ekstraktivni entrainerji ne tvorijo azeotropa z nobeno od komponent krme.

Namesto tega odstranijo le bolj ali manj polarne komponente glede na njihovo polarnost.

Homogena in heterogena azeotropna destilacija

Obstajata dve vrsti azeotropne destilacije, imenovani homogena in heterogena, ki sta odvisni od interakcije entrainerja s krmno mešanico.

Homogena azeotropna destilacija je enostavnejša za uporabo in učinkovitejša od heterogene azeotropne destilacije, ker se entrainer lahko zmeša z vsemi komponentami v krmi.

Po drugi strani pa heterogena azeotropna destilacija uporablja entrainer, ki se ne more mešati z nobenim delom krmne mešanice.

To lahko povzroči okvaro kolone z majhnimi spremembami tlaka ali izklop dekanterja z majhnimi puščanji.

Torej nanjo bolj vpliva način vodenja kot na homogeno azeotropno destilacijo.

Omejitve azeotropne destilacije

Azeotropna destilacija ima nekaj prednosti, vendar ima tudi nekaj težav.

Nekaterih raztopin ni mogoče ločiti tudi z destilacijo, če imajo azeotrope v svojih ravnotežnih stanjih para-tekočina.

Prav tako lahko izbira azeotropnega sredstva močno vpliva na proces in, če z njim ne ravnamo pravilno, lahko onesnaži okolje.

Poleg tega uporaba azeotropne destilacije še vedno porabi veliko energije in morda ne proizvede vedno stopnje čistosti, ki je potrebna za ciljne izdelke.

Uporaba azeotropne destilacije

Dehidracija etanola

Eden najbolj znanih načinov uporabe azeotropne destilacije je odstranjevanje vode iz zmesi etanola in vode.

Azeotropna zmes gre v zadnji stolpec, kjer poteka azeotropna destilacija.

V preteklosti so za to uporabljali veliko različnih entrainerjev, največ pa benzena, dokler niso ugotovili, da povzroča raka.

Večino časa se cikloheksan v sodobni znanosti uporablja za prekinitev azeotropa etanol-voda.

Ta proces je zelo pomemben v industriji etanola za gorivo, kjer je treba etanolu odstraniti vodo, da preprečimo okvaro motorjev in povečamo količino etanola v mešanicah goriva.

Heterogena azeotropna destilacija

Dodajanje entrainerja, ki naredi ločeno fazo, je del podmnožice industrijskih azeotropnih destilacijskih metod.

Podobno kot pri ekstrakcijski destilaciji se ta postopek dodajanja entrainerja, ki naredi novo fazo, imenuje entrainment.

Običajen način uporabe te metode je mešanje benzena z vodo in etanolom, da nastane nov heterogeni azeotrop z nižjim vreliščem, ki ga je mogoče ločiti na običajen način.

Ta metoda je še posebej uporabna za odstranjevanje nečistoč v organskih topilih, čiščenje eteričnih olj in vračanje ogljikovodikov.

Druge uporabe

Azeotropna destilacija ima poleg dehidracije etanola in heterogene azeotropne destilacije številne uporabe v industriji, kot so:

• Izomere, ki imajo skoraj enake fizikalne in kemijske lastnosti, lahko ločimo z azeotropno destilacijo.
• Azeotropna destilacija se uporablja v farmacevtski, kemični industriji in industriji polimerov za pridobivanje topil nazaj iz tokov odpadkov.
• Kisli plini se odvzamejo iz tokov zemeljskega plina s postopkom, imenovanim azeotropna destilacija.
• Ločevanje eteričnih olj: Azeotropna destilacija se uporablja za ločevanje in čiščenje eteričnih olj iz rastlinske snovi.
• Odstranjevanje vode iz topil: Azeotropna destilacija se uporablja v kemični in farmacevtski industriji za odstranjevanje vode iz topil.

Izzivi pri azeotropni destilaciji

Azeotropna destilacija je dober način za ločevanje azeotropnih mešanic, vendar prinaša nekaj izzivov, s katerimi se je treba soočiti, da bi dosegli najboljše rezultate.

Izbira Entrainerja:

Pri sintezi in konceptualni zasnovi procesov AD je izbira entrainerja zelo pomembna, saj določa vrstni red ločevanja.

Entrainer mora tvoriti močan azeotrop z eno od komponent mešanice in ga je enostavno ločiti od želenega produkta.

Izbira entrainerja vpliva na kakovost in čistost izdelka, ob nepravilni uporabi pa lahko tudi onesnažuje okolje.

Učinki odvečnega entrainerja:

Dodajanje odvečne količine entrainerja lahko povzroči povečanje porabe energije, saj je treba dodatni entrainer ločiti od želenega izdelka.

To lahko zviša stroške izdelave izdelka in lahko tudi zmanjša njegovo kakovost.

V nekaterih primerih lahko presežek entrainerja povzroči nastanek tretjega azeotropa, kar lahko zaplete postopek ločevanja.

Nezadosten entrainer:

Če uporabite premalo entrainerja, izdelek morda ne bo popolnoma ločen ali morda ne bo tako čist.

Torej je treba pri azeotropni destilaciji količino entrainerja optimizirati tako, da je mogoče doseči želeno raven ločevanja in čistosti z najmanjšo količino energije in stroškov.

Kako so narejeni azeotropi:

Ko entrainer spremeni relativno hlapnost azeotropne zmesi, tvori azeotrop z največjim ali minimalnim vreliščem.

Dodajanje entrainerja lahko dodatno poveča čistost azeotropne komponente.

Toda če izberete preveč ali premalo entrainerja, lahko spremenite, kako dobro deluje postopek ločevanja.

Po azeotropni točki:

Destilacija azeotropne zmesi preko njene azeotropne točke je možna, vendar ta postopek uporablja alternativne stroškovno intenzivne tehnike ločevanja, kot je destilacija z nihanjem tlaka.

Namesto da poskušate destilirati mimo azeotropne točke, je pomembno najti pravo količino entrainerja, da dobite dobro ločitev.

Azeotropna destilacija v praksi

Entrainers v azeotropni destilaciji

Ker lahko z vodo tvori azeotrop z nizkim vreliščem, je bil benzen pogosto uporabljen kot entrainer pri azeotropni destilaciji.

Vendar je toluen boljši od benzena, ker lahko benzen povzroči raka.

Etrainer deluje dobro, če se lahko združi z eno od komponent krmne mešanice, da nastane nov azeotrop.

To spremeni relativno hlapnost komponent in jih omogoči ločevanje.

Entrainer mora biti enostaven za ločitev od želenega izdelka in ga lahko dobite nazaj z destilacijo, dekantacijo ali kako drugo metodo.

Pri azeotropni destilaciji je učinek prevelike količine entrainerja odvisen od uporabljenega sistema.

Ko dodamo preveč entrainerja, se količina porabljene energije poveča, ker je treba dodatni entrainer ločiti od želenega izdelka.

To lahko zviša stroške izdelave izdelka in lahko tudi zmanjša njegovo kakovost.

Včasih lahko preveč entrainerja povzroči nastanek tretjega azeotropa, kar lahko oteži proces ločevanja.

Po drugi strani pa, če uporabite premalo entrainerja, izdelek morda ne bo popolnoma ločen ali morda ne bo tako čist.

Zato je treba uporabiti pravo količino entrainerja, da dosežemo potrebno stopnjo ločevanja in čistosti z najmanjšo količino energije in stroškov.

Globoka evtektična topila (DES) postajajo vse bolj priljubljena kot entrainerji pri azeotropni destilaciji, ker so boljša za okolje kot tradicionalna topila.

Azeotropne mešanice, kot sta benzen-cikloheksan in acetonitril-voda, je enostavno ločiti z DES.

DES se lahko uporablja tudi v tehniki, imenovani "ekstraktivna destilacija", ki je podobna destilaciji in vključuje dodajanje topila, da se izloči eden od delov krmne mešanice.

Azeotropna destilacija v primerjavi s parno destilacijo

S parno destilacijo se materiali, občutljivi na toploto, kot so naravne aromatične spojine, ločijo od organskih materialov.

Azeotropna destilacija pa se uporablja za ločevanje delov azeotropne zmesi.

Zmesi, ki so azeotropne, je težko ločiti s tradicionalno destilacijo, ker njihova vrelišča ostanejo enaka in so hlapi enaki kot tekoča zmes.

Ker se parna destilacija uporablja za ločevanje materialov, ki so občutljivi na toploto, je težko reči, kakšna je azeotropna temperatura vode in toluena.

Po drugi strani pa toluen in voda tvorita azeotrop pri 84,1 °C, ki je sestavljen iz 22,85 % vode in 77,15 mas. % toluena.

Ker deluje kot ena spojina, mešanice toluena in vode s to sestavo ni mogoče nadalje ločiti s preprosto destilacijo.

To mešanico lahko ločite z uporabo azeotropne destilacije z entrainerjem ali ekstrakcijske destilacije s topilom.

Video: Azeotropni premik in ločevanje

Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete. V gumbu z nastavitvami izberite »samodejno prevajanje«, če niste seznanjeni z angleškim jezikom. Morda boste morali najprej klikniti jezik videoposnetka, preden postane vaš najljubši jezik na voljo za prevod.

Primeri uporabe

Uporablja se v:	Opis:
Čistilna voda	Azeotropna destilacija se pogosto uporablja za čiščenje vode, zlasti v polprevodniški in elektronski industriji, kjer je potrebna ultra čista voda. S pomočjo entrainerja lahko azeotropna destilacija naredi vodo z zelo malo nečistočami, ki se lahko uporablja v občutljivih situacijah.
Rekuperacija topila	Azeotropna destilacija se uporablja za ločevanje topil iz reakcijskih zmesi. To omogoča pridobivanje in ponovno uporabo dragih ali težko dostopnih topil. Na primer, azeotropno destilacijo lahko uporabimo za ločevanje etanola od vode, ki se lahko nato uporabi za izdelavo biogoriv ali za druge industrijske namene.
Ekstrakcija eteričnega olja	Priljubljen način pridobivanja eteričnih olj iz rastlin je uporaba azeotropne destilacije. Z uporabo entrainerja lahko azeotropna destilacija pridobi več eteričnih olj iz rastlin kot tradicionalna parna destilacija. To pomeni, da bodo olja bolj kakovostna in bodo dala večji pridelek.
Čiščenje polimerov	Azeotropno destilacijo lahko uporabimo za odstranjevanje nečistoč iz polimerov, ki bi lahko spremenile njihove lastnosti ali kako dobro delujejo. Na primer, azeotropno destilacijo lahko uporabimo za čiščenje polistirena, tako da se znebimo vseh ostankov monomerov in drugih nečistoč, ki bi lahko spremenile način delovanja polimera.
Farmacevtska proizvodnja	Azeotropna destilacija se pogosto uporablja za ločevanje in čiščenje reakcijskih mešanic med proizvodnjo farmacevtskih izdelkov. Na primer, azeotropno destilacijo lahko uporabimo za ločevanje in čiščenje reakcijskih mešanic pri izdelavi antibiotikov, kar povzroči izdelke visoke čistosti.

Zaključek

Skratka, azeotropna destilacija je uporaben način za ločevanje zapletenih mešanic na njihove čiste dele.

Je močno orodje za inženirje in znanstvenike zaradi svoje edinstvene sposobnosti hitre izdelave čistih komponent.

Toda, tako kot vsaka metoda ločevanja, ima tudi ta svoje meje in za dobro delovanje potrebuje skrbno premislek o sestavi mešanice, izbiri entrainerja in pogojih postopka.

Ko nadaljujete z raziskovanjem možnosti azeotropne destilacije, ne pozabite, da ta proces ni samo tehnični izziv, ampak tudi priložnost za kreativno reševanje problemov in nove zamisli.

Če razmišljate o azeotropni destilaciji na pravi način, lahko vodi do novih inženirskih odkritij in idej.

Zato bodite odprti in poskušajte nove stvari. Obstaja veliko možnosti.