Будучи інженером або студентом інженерного факультету, ви завжди шукаєте способи швидкого та легкого розділення та очищення рідких сумішей.
Але ви можете не знати про азеотропну дистиляцію.
Цей процес не тільки розділяє суміші, але також може отримувати чисті компоненти, що важко зробити традиційними методами дистиляції.
Азеотропна дистиляція - це складний, але цікавий процес, який набув великого значення в машинобудуванні та хімічній промисловості.
У цій статті я поясню, як працює азеотропна дистиляція, а також її переваги, недоліки та звичайне використання.
З цими знаннями ви зможете вивести свої методи розлуки на наступний рівень.
Введення в азеотропну дистиляцію
Формальне визначення:
Процес, за допомогою якого рідку суміш поділяють на чисті компоненти за допомогою додаткової речовини або розчинника.
Азеотропна дистиляція - це спосіб розділення частин суміші шляхом утворення азеотропу, який є сумішшю частин, яка кипить при однаковій температурі.
Перегонка не може бути використана для розділення цієї суміші на частини, оскільки всі частини містять однакову кількість пари та рідини.
Екстракційна дистиляція, з іншого боку, є подібним способом розділення сумішей, але замість захоплювача для розділення сумішей використовується розчинник.
Азеотропна дистиляція
Під час азеотропної дистиляції захоплювач використовується для зміни леткості різних частин суміші, що робить можливим їх розділення.
Комбінуючи один або більше компонентів із захоплювачем, утворюється новий азеотроп.
Цей новий азеотроп можна відокремити від вихідної суміші шляхом фракційної дистиляції.
Захоплювач зазвичай є частиною суміші, яка має низьку температуру кипіння та високу відносну летючість порівняно з іншими частинами.
Якщо суміш утворює азеотроп з мінімальною температурою кипіння, який є азеотропом з найнижчою температурою кипіння, захоплювач з’єднується з більш летючою частиною вихідної суміші, утворюючи азеотроп.
У цьому випадку азеотроп із найнижчою точкою кипіння, який утворюється при додаванні захоплювача, випаровується першим.
Це називається дистилят.
Якщо ні, якщо азеотроп з максимальною температурою кипіння утворюється з ентерейнером, більш летюча частина вихідної суміші випарується першою.
Це робить можливим фракційну дистиляцію для розділення частин вихідної суміші.
Екстракційна дистиляція
Під час екстракційної дистиляції кожна суміш повинна використовувати інший розчинник для розділення, і розчинники не повинні мати тенденцію до утворення азеотропу.
Розчинник змінює парорідинну рівновагу суміші, що дає змогу розділити частини.
Екстракційну дистиляцію можна використовувати для розділення сумішей, які схильні до утворення азеотропів, що неможливо при азеотропній дистиляції.
Суміші постійного кипіння
Суміш, яка кипить з постійною швидкістю, також називається «азеотропною» сумішшю, впливає на фракційну дистиляцію неідеальних сумішей (азеотропів).
Якщо закон Рауля порушується позитивно, це створює криву тиску пари з максимальним значенням, яке не є чистим А або чистим B.
Якщо ці суміші містять багато пари, їх температура кипіння буде низькою.
Молекули легко рухаються, і лише фракційної дистиляції недостатньо, щоб отримати чистий етанол, оскільки він все ще містить воду та інші домішки.
Мистецтво складного розділення: вивчення азеотропної дистиляції
Все ще важко отримати і важко зрозуміти? Дозвольте трохи змінити точку зору:
Ви втомилися від тих самих старих нудних процесів дистиляції, які просто розділяють суміші, не додаючи жодної родзинки? Ви хочете зробити ваші методи розлуки складнішими та заплутанішими, ніж вони повинні бути? Що ж, у мене є для вас відповідь! Азеотропна дистиляція – це процес, який вимагає простого розділення та перетворює його на лабіринт додаткових речовин і розчинників.
Навіщо використовувати лише одну річ для розділення сумішей, коли можна використовувати дві або три? Хто хоче бути простим, коли можна бути складним? Азеотропна дистиляція: іноді найкращий спосіб очистити ваші частини - це максимально ускладнити процес.
Гаразд, це був просто жарт, замаскований під телевізійну рекламу. Тепер повернемося до пояснення.
Процес азеотропної дистиляції
Азеотропна дистиляція має багато переваг перед іншими способами розділення речей, наприклад, наскільки легко відокремити захоплювач і потрібний продукт, наскільки легко її використовувати, як мало енергії вона використовує та наскільки вона дешева.
Типи захоплювачів
Для азеотропної дистиляції розрізняють три типи ентерагентів: гомогенний, гетерогенний і екстрактивний.
Гомогенні ентерейнери можуть змішуватися з усіма компонентами корму, але гетерогенні ентерейнери утворюють дві рідкі фази, які не можуть змішуватися.
Екстракційні захоплювачі не створюють азеотропу з жодним із компонентів корму.
Натомість вони видаляють лише більш полярні або менш полярні компоненти на основі їх полярності.
Гомогенна та гетерогенна азеотропна дистиляція
Існує два типи азеотропної дистиляції, які називаються гомогенною та гетерогенною, які залежать від того, як захоплювач взаємодіє з кормовою сумішшю.
Гомогенна азеотропна дистиляція є легшою у використанні та ефективнішою, ніж гетерогенна азеотропна дистиляція, оскільки захоплювач може змішуватися з усіма компонентами корму.
З іншого боку, гетерогенна азеотропна дистиляція використовує захоплювач, який не може змішуватися з жодною з частин кормової суміші.
Це може призвести до виходу колонки з ладу при невеликих змінах тиску або декантера до вимкнення через невеликі витоки.
Отже, на нього більше впливає те, як він працює, ніж на гомогенну азеотропну дистиляцію.
Обмеження азеотропної дистиляції
Азеотропна дистиляція має деякі переваги, але вона також має деякі проблеми.
Деякі розчини не можна також розділити дистиляцією, якщо вони мають азеотропи в стані рівноваги пара-рідина.
Крім того, вибір азеотропного агента може мати великий вплив на процес і, якщо з ним поводитися неправильно, може забруднювати навколишнє середовище.
Крім того, азеотропна дистиляція все ще використовує багато енергії, і вона не завжди може забезпечити рівень чистоти, який необхідний для цільових продуктів.
Застосування азеотропної дистиляції
Зневоднення етанолу
Одним із найвідоміших способів використання азеотропної дистиляції є видалення води із суміші етанолу та води.
Азеотропна суміш надходить в останню колону, де відбувається азеотропна дистиляція.
У минулому для цього використовували багато різних ентерейнерів, але найбільше використовувався бензол, поки не було виявлено, що він викликає рак.
У сучасній науці для руйнування азеотропу етанол-вода найчастіше використовується циклогексан.
Цей процес дуже важливий у виробництві паливного етанолу, де з етанолу потрібно видалити воду, щоб уникнути поломки двигунів і збільшити кількість етанолу в паливних сумішах.
Гетерогенна азеотропна дистиляція
Додавання захоплювача, який утворює окрему фазу, є частиною підмножини промислових методів азеотропної дистиляції.
Подібно до екстракційної дистиляції, цей процес додавання захоплювача, що створює нову фазу, називається захопленням.
Поширеним способом використання цього методу є змішування бензолу з водою та етанолом для отримання нового гетерогенного азеотропу з нижчою температурою кипіння, який можна розділити звичайним способом.
Цей метод особливо корисний для позбавлення від домішок в органічних розчинниках, очищення ефірних масел і повернення вуглеводнів.
Інше використання
Азеотропна дистиляція має ряд застосувань у промисловості, окрім дегідратації етанолу та гетерогенної азеотропної дистиляції, наприклад:
- Ізомери, які мають майже однакові фізико-хімічні властивості, можна розділити за допомогою азеотропної дистиляції.
- Азеотропна дистиляція використовується у фармацевтичній, хімічній та полімерній промисловості для повернення розчинників із потоків відходів.
- Кислі гази вилучаються з потоків природного газу за допомогою процесу, який називається азеотропною дистиляцією.
- Відокремлення ефірних олій: азеотропна дистиляція використовується для відділення та очищення ефірних олій від рослинної речовини.
- Видалення води з розчинників: Азеотропна дистиляція використовується в хімічній і фармацевтичній промисловості для видалення води з розчинників.
Проблеми азеотропної дистиляції
Азеотропна дистиляція є хорошим способом розділення азеотропних сумішей, але вона пов’язана з деякими проблемами, які необхідно вирішити, щоб отримати найкращі результати.
Вибір Entrainer:
У синтезі та концептуальному проектуванні процесів AD вибір залучавача є дуже важливим, оскільки він визначає порядок поділу.
Займач повинен утворювати сильний азеотроп з одним із компонентів суміші та легко відділятися від потрібного продукту.
Вибір ентерейнера впливає на якість і чистоту продукту, і якщо він не використовується належним чином, він також може забруднювати навколишнє середовище.
Ефекти Excess Entrainer:
Додавання надмірної кількості захоплювача може призвести до збільшення споживання енергії, оскільки додатковий захоплювач необхідно відокремити від бажаного продукту.
Це може збільшити вартість виготовлення продукту та може також знизити його якість.
У деяких випадках надлишок ентерейнера може призвести до утворення третього азеотропу, що може ускладнити процес поділу.
Недостатній Entrainer:
Якщо ви використовуєте занадто мало захоплювача, продукт може бути не повністю відокремлений або може бути не таким чистим.
Отже, під час азеотропної дистиляції кількість захоплювача має бути оптимізована таким чином, щоб можна було досягти бажаного рівня розділення та чистоти з найменшою кількістю енергії та витрат.
Як виготовляються азеотропи:
Коли захоплювач змінює відносну леткість азеотропної суміші, він утворює азеотроп з максимальною або мінімальною температурою кипіння.
Додавання захоплювача може ще більше підвищити чистоту азеотропного компонента.
Але якщо ви виберете занадто багато або занадто мало захоплювача, це може змінити ефективність процесу розділення.
Після азеотропної точки:
Дистиляція азеотропної суміші за межами її азеотропної точки можлива, але в цьому процесі використовуються альтернативні дорогоцінні методи розділення, такі як дистиляція зі змінним тиском.
Замість того, щоб намагатися перегнати азеотропну точку, важливо знайти правильну кількість ентерейнера, щоб отримати гарне розділення.
Азеотропна дистиляція на практиці
Ентерейнери в азеотропній дистиляції
Оскільки він може утворювати азеотроп з низькою температурою кипіння з водою, бензол часто використовувався як реагент при азеотропній дистиляції.
Однак толуол краще, ніж бензол, тому що бензол може викликати рак.
Займач працює добре, якщо він може поєднуватися з одним із компонентів кормової суміші для створення нового азеотропу.
Це змінює відносну летючість компонентів і робить можливим їх розділення.
Ентерейнер повинен легко відокремлюватися від потрібного вам продукту, і ви можете отримати його назад за допомогою дистиляції, декантації або іншим способом.
При азеотропній дистиляції вплив занадто великої кількості ентерейнера залежить від системи, яка використовується.
Коли додається забагато захоплювача, кількість використаної енергії зростає, оскільки додатковий захоплювач потрібно відокремити від бажаного продукту.
Це може збільшити вартість виготовлення продукту та може також знизити його якість.
Іноді занадто велика кількість ентерейнера може спричинити утворення третього азеотропу, що може ускладнити процес поділу.
З іншого боку, якщо ви використовуєте занадто мало ентерейнера, продукт може бути не повністю відокремлений або може бути не таким чистим.
Отже, потрібно використовувати правильну кількість ентерейнера, щоб отримати необхідний рівень розділення та чистоти з найменшою кількістю енергії та витрат.
Глибокі евтектичні розчинники (DES) стають все більш популярними як захоплювачі в азеотропній дистиляції, оскільки вони кращі для навколишнього середовища, ніж традиційні розчинники.
Азеотропні суміші, такі як бензол-циклогексан і ацетонітрил-вода, легко розділити за допомогою DES.
DES також можна використовувати в техніці, яка називається «екстракційна дистиляція», яка схожа на дистиляцію та передбачає додавання розчинника для отримання однієї з частин кормової суміші.
Азеотропна дистиляція в порівнянні з дистиляцією з водяною парою
За допомогою дистиляції з водяною парою чутливі до тепла матеріали, такі як природні ароматичні сполуки, відокремлюються від органічних матеріалів.
З іншого боку, азеотропна дистиляція використовується для розділення частин азеотропної суміші.
Азеотропні суміші важко розділити за допомогою традиційної дистиляції, оскільки їх точки кипіння залишаються незмінними, а пари такі ж, як і в рідкій суміші.
Оскільки дистиляція з водяною парою використовується для розділення матеріалів, чутливих до тепла, важко сказати, якою є азеотропна температура води та толуолу.
Толуол і вода, з іншого боку, утворюють азеотроп при 84,1°C, який складається з 22,85% води та 77,15 мас.% толуолу.
Оскільки він діє як єдина сполука, суміш толуолу та води з таким складом неможливо розділити далі простою дистиляцією.
Ви можете розділити цю суміш, використовуючи азеотропну дистиляцію з ентерагентом або екстрактивну дистиляцію з розчинником.
Відео: Азеотропне зміщення та розділення
Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна. Виберіть «автоматичний переклад» у кнопці налаштувань, якщо ви не знайомі з англійською мовою. Можливо, вам доведеться спершу натиснути мову відео, перш ніж ваша улюблена мова стане доступною для перекладу.
Випадки використання
| Використовується в: | опис: |
|---|---|
| Очищення води | Азеотропна дистиляція часто використовується для очищення води, особливо в напівпровідниковій та електронній промисловості, де потрібна надчиста вода. За допомогою антренера азеотропна дистиляція може зробити воду з дуже невеликою кількістю домішок, яку можна використовувати в чутливих ситуаціях. |
| Відновлення розчинника | Для виділення розчинників із реакційних сумішей використовують азеотропну дистиляцію. Це дозволяє відновлювати та використовувати дорогі або важкодоступні розчинники. Наприклад, азеотропну дистиляцію можна використовувати для відділення етанолу від води, який потім можна використовувати для виробництва біопалива або для інших промислових цілей. |
| Екстракція ефірної олії | Популярним способом отримання ефірних масел з рослин є використання азеотропної дистиляції. За допомогою азеотропної дистиляції можна отримати більше ефірних олій із рослин, ніж традиційної парової дистиляції. Це означає, що олії будуть якіснішими і дадуть більше врожаю. |
| Очищення полімерів | Азеотропну дистиляцію можна використовувати для видалення домішок з полімерів, які можуть змінити їхні властивості або ефективність їх роботи. Наприклад, азеотропну дистиляцію можна використовувати для очищення полістиролу, позбувшись будь-яких залишків мономерів та інших домішок, які можуть змінити спосіб роботи полімеру. |
| Фармацевтичне виробництво | Азеотропна дистиляція часто використовується для розділення та очищення реакційних сумішей під час виробництва фармацевтичних препаратів. Наприклад, азеотропну дистиляцію можна використовувати для розділення та очищення реакційних сумішей при виготовленні антибіотиків, що призводить до отримання продуктів високої чистоти. |
Висновок
На закінчення, азеотропна дистиляція є корисним способом розділення складних сумішей на їх чисті частини.
Це потужний інструмент для інженерів і науковців завдяки його унікальній здатності швидко виготовляти чисті компоненти.
Але, як і будь-який метод поділу, він має свої межі та потребує ретельного обмірковування складу суміші, вибору захоплювача та умов процесу, щоб працювати добре.
Продовжуючи досліджувати можливості азеотропної дистиляції, майте на увазі, що цей процес є не лише технічною проблемою, але й можливістю для творчого вирішення проблем і нових ідей.
Якщо ви думаєте про азеотропну дистиляцію правильно, це може призвести до нових інженерних відкриттів та ідей.
Тому будьте відкритими та пробуйте нові речі. Варіантів дуже багато.
Поділіться на…
