التقطير الأيزوتروبي: فصل المخاليط السائلة

بصفتك مهندسًا أو طالبًا في الهندسة ، فأنت تبحث دائمًا عن طرق لفصل وتنقية الخلائط السائلة التي تكون سريعة وسهلة.

لكنك قد لا تعرف عن التقطير الأزيوتروبي.

لا تقوم هذه العملية بفصل الخلائط فحسب ، بل يمكنها أيضًا صنع مكونات نقية ، وهو أمر يصعب القيام به باستخدام طرق التقطير التقليدية.

التقطير الأزيوتروبي هو عملية معقدة ولكنها مثيرة للاهتمام والتي أصبحت مهمة للغاية في الصناعات الهندسية والكيميائية.

في هذه المقالة ، سأشرح كيفية عمل التقطير الأزيوتروبي ، بالإضافة إلى فوائده وعيوبه واستخداماته الشائعة.

بهذه المعرفة ، ستتمكن من نقل تقنيات الفصل الخاصة بك إلى المستوى التالي.

مقدمة في التقطير الأزيوتروبيك

تعريف رسمي:

عملية يتم من خلالها فصل خليط سائل إلى مكونات نقية بمساعدة مادة أو مذيب إضافي.

التقطير الأزيوتروبي هو طريقة لفصل أجزاء الخليط عن طريق صنع أزيوتروب ، وهو خليط من الأجزاء التي تغلي عند نفس درجة الحرارة.

لا يمكن استخدام التقطير لفصل هذا النوع من الخليط إلى أجزائه لأن جميع الأجزاء تحتوي على نفس كمية البخار والسائل.

من ناحية أخرى ، يعد التقطير الاستخراجي طريقة مماثلة لفصل الخلائط ، ولكن بدلاً من مادة احتجاز ، فإنه يستخدم مذيبًا لفصل الخلائط.

التقطير الأيزوتروبي

في التقطير الأيزوتروبي ، يتم استخدام مادة احتجاز لتغيير مدى تطاير الأجزاء المختلفة من الخليط ، مما يجعل من الممكن فصلها.

من خلال الجمع بين واحد أو أكثر من المكونات مع مادة الاحتجاز ، يتم تصنيع مادة أزيوتروب جديدة.

يمكن فصل هذا الأزيوتروب الجديد عن الخليط الأصلي عن طريق التقطير التجزيئي.

عادة ما يكون مادة الاحتجاز جزءًا من الخليط له نقطة غليان منخفضة وتقلب نسبي مرتفع مقارنة بالأجزاء الأخرى.

إذا كان الخليط يشكل حدًا أدنى لغليان الأزيوتروب ، وهو الأزيوتروب مع أدنى نقطة غليان ، فإن مادة الاحتجاز سوف تتحد مع الجزء الأكثر تطايرًا من الخليط الأصلي لتكوين مادة أزيوتروب.

في هذه الحالة ، يتبخر الأزيوتروب الذي يحتوي على أقل نقطة غليان عند إضافة مادة الاحتجاز أولاً.

وهذا ما يسمى نواتج التقطير.

إذا لم يكن الأمر كذلك ، إذا تشكلت مادة الأزيوتروب ذات نقطة الغليان القصوى مع مادة الاحتجاز ، فإن الجزء الأكثر تطايرًا من الخليط الأصلي سوف يتبخر أولاً.

هذا يجعل من الممكن للتقطير التجزيئي فصل أجزاء الخليط الأصلي.

التقطير الاستخراجي

في التقطير الاستخراجي ، يجب أن يستخدم كل خليط مذيب فصل مختلف ، ويجب ألا تميل المذيبات إلى تكوين مادة الأزيوتروب.

يغير المذيب توازن السائل البخاري ، مما يجعل من الممكن فصل الأجزاء.

يمكن استخدام التقطير الاستخراجي لفصل الخلائط التي تميل إلى تكوين مواد مزيلة للأزيوت ، وهو أمر غير ممكن مع التقطير الأزيوتروبي.

مخاليط الغليان المستمر

الخليط الذي يغلي بمعدل ثابت ، ويسمى أيضًا الخليط "الأزيوتروبي" ، له تأثيرات على التقطير الجزئي للمخاليط الأقل من المثالية (المواد الأزيوتروبية).

إذا تم كسر قانون رولت بطريقة إيجابية ، فإنه يصنع منحنى ضغط البخار بقيمة قصوى ليست نقية أو ب نقية.

إذا كانت هذه الخلائط تحتوي على الكثير من البخار ، فستكون درجة غليانها منخفضة.

تتحرك الجزيئات بسهولة ، ولا يكفي التقطير التجزيئي وحده للحصول على الإيثانول النقي لأنه سيظل يحتوي على الماء والشوائب الأخرى.

فن الفصل المعقد: استكشاف التقطير الأزيوتروبي

لا يزال من الصعب الحصول عليها وفهمها؟ دعني أغير وجهة النظر قليلاً:

هل سئمت من نفس عمليات التقطير المملة القديمة التي تفصل الخلائط فقط دون إضافة أي ذوق إضافي؟ هل تريد أن تجعل تقنيات الفصل الخاصة بك أصعب وأكثر إرباكًا مما يجب أن تكون عليه؟ حسنًا ، لدي الجواب لك! التقطير الأزيوتروبي هو عملية تستغرق فصلًا بسيطًا وتحولها إلى متاهة من المواد والمذيبات الإضافية.

لماذا تستخدم شيئًا واحدًا فقط لفصل الخلائط بينما يمكنك استخدام اثنين أو ثلاثة؟ من يريد أن يكون بسيطًا عندما تكون معقدًا؟ التقطير الأيزوتروبي: في بعض الأحيان ، تكون أفضل طريقة لتنظيف أجزائك هي جعل العملية معقدة قدر الإمكان.

حسنًا ، كانت هذه مجرد مزحة متخفية في صورة إعلان تلفزيوني. الآن دعنا نعود إلى الشرح.

عملية التقطير ايزوتروبيك

يتمتع التقطير الأزيوتروبي بالكثير من المزايا مقارنة بالطرق الأخرى لفصل الأشياء ، مثل مدى سهولة فصل مادة الاحتجاز عن المنتج الذي تريده ، ومدى سهولة استخدامه ، ومدى قلة الطاقة التي يستخدمها ، ومدى رخص ثمنها.

أنواع الحواجز

للتقطير الأزيوتروبي ، هناك ثلاثة أنواع من مواد الاحتجاز: متجانسة ، وغير متجانسة ، واستخراجية.

يمكن أن تختلط مواد الاحتجاز المتجانسة مع جميع مكونات العلف ، لكن مواد الاحتجاز غير المتجانسة تشكل مرحلتين سائلتين لا يمكن مزجهما.

لا تصنع مواد الاحتجاز الاستخراجية مادة الأزيوتروب مع أي من مكونات التغذية.

بدلاً من ذلك ، يقومون بإزالة المكونات الأكثر قطبية أو الأقل قطبية بناءً على قطبيتها.

التقطير الأزيوتروبي المتجانس وغير المتجانس

هناك نوعان من التقطير الأزيوتروبي ، يسمى متجانس وغير متجانس ، ويعتمدان على كيفية تفاعل مادة الاحتجاز مع خليط التغذية.

يعتبر التقطير الأزيوتروبي المتجانس أسهل في الاستخدام وأكثر كفاءة من التقطير الأزيوتروبي غير المتجانس لأن مادة الاحتجاز يمكن أن تختلط مع جميع المكونات الموجودة في التغذية.

من ناحية أخرى ، يستخدم التقطير الأزيوتروبي غير المتجانس مادة احتجاز لا يمكن مزجها مع أي من أجزاء خليط التغذية.

يمكن أن يتسبب هذا في فشل العمود مع تغييرات طفيفة في الضغط أو إغلاق الدورق مع وجود تسربات صغيرة.

لذلك ، فهو يتأثر بكيفية تشغيله أكثر من التقطير الأزيوتروبي المتجانس.

حدود التقطير الأزيوتروبيك

للتقطير الأزيوتروبي بعض الفوائد ، لكن له أيضًا بعض المشكلات.

لا يمكن فصل بعض الحلول أيضًا عن طريق التقطير إذا كانت تحتوي على مواد أزيوتروبية في حالات توازن البخار والسائل.

أيضًا ، يمكن أن يكون لاختيار العامل الأزيوتروبي تأثيرًا كبيرًا على العملية ، وإذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح ، يمكن أن يلوث البيئة.

أيضًا ، لا يزال استخدام التقطير الأزيوتروبي يستخدم الكثير من الطاقة ، وقد لا ينتج دائمًا مستوى النقاء المطلوب للمنتجات المستهدفة.

تطبيقات التقطير الأزيوتروبي

جفاف الإيثانول

واحدة من أكثر الطرق المعروفة لاستخدام التقطير الأزيوتروبي هي إزالة الماء من مخاليط الإيثانول والماء.

ينتقل الخليط الأزيوتروبي إلى العمود الأخير ، حيث يحدث التقطير الأزيوتروبي.

في الماضي ، تم استخدام العديد من مواد الاحتجاز المختلفة لهذا الغرض ، ولكن كان البنزين يستخدم أكثر من غيره حتى وجد أنه يسبب السرطان.

في معظم الأحيان ، يتم استخدام الهكسان الحلقي لكسر مادة الإيثانول-الماء الأزيوتروب في العلوم الحديثة.

تعتبر هذه العملية مهمة جدًا في صناعة وقود الإيثانول ، حيث يلزم إخراج الماء من الإيثانول لمنع المحركات من التعطل ولزيادة كمية الإيثانول في خليط الوقود.

التقطير الأزيوتروبي غير المتجانس

تعد إضافة مادة احتجاز تجعل مرحلة منفصلة جزءًا من مجموعة فرعية من طرق التقطير الصناعي المضاد للزيوت.

على غرار التقطير الاستخراجي ، تسمى عملية إضافة مادة احتجاز تصنع مرحلة جديدة بالاحتجاز.

الطريقة الشائعة لاستخدام هذه الطريقة هي خلط البنزين بالماء والإيثانول لعمل أزيوتروب جديد غير متجانس مع نقطة غليان منخفضة يمكن فصلها بالطريقة المعتادة.

هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص للتخلص من الشوائب في المذيبات العضوية وتنظيف الزيوت الأساسية واستعادة الهيدروكربونات.

استخدامات اخرى

للتقطير الأزيوتروبي عددًا من الاستخدامات في الصناعة إلى جانب تجفيف الإيثانول والتقطير الأزيوتروبي غير المتجانس ، مثل:

• يمكن فصل الأيزومرات ، التي لها نفس الخصائص الفيزيائية والكيميائية تقريبًا ، باستخدام التقطير الأزيوتروبي.
• يستخدم التقطير الأزيوتروبي في الصناعات الدوائية والكيميائية والبوليمر لاستعادة المذيبات من مجاري النفايات.
• يتم إخراج الغازات الحمضية من تيارات الغاز الطبيعي باستخدام عملية تسمى التقطير الأزيوتروبيك.
• فصل الزيوت العطرية: يستخدم التقطير الأزيوتروبي لفصل وتنظيف الزيوت الأساسية من المواد النباتية.
• إزالة الماء من المذيبات: يستخدم التقطير الأزيوتروبي في الصناعات الكيميائية والصيدلانية لإزالة الماء من المذيبات.

التحديات في التقطير الأزيوتروبيك

يعد التقطير الأزيوتروبي طريقة جيدة لفصل الخلائط الأزيوتروبية ، ولكنه يأتي مع بعض التحديات التي يجب التعامل معها للحصول على أفضل النتائج.

اختيار الملتصق:

في التركيب والتصميم المفاهيمي لعمليات AD ، يعد اختيار مادة الاحتجاز أمرًا مهمًا للغاية لأنه يحدد ترتيب الفصل.

يجب أن يشكل مادة الاحتجاز مادة أزيوتروب قوية مع أحد مكونات الخليط وأن يكون من السهل فصلها عن المنتج الذي تريده.

يؤثر اختيار مادة الاحتجاز على جودة المنتج ونقاوته ، وإذا لم يتم استخدامه بشكل صحيح ، فيمكنه أيضًا تلويث البيئة.

تأثيرات الحاصل الزائدة:

يمكن أن تؤدي إضافة كمية زائدة من مادة الاحتجاز إلى زيادة استهلاك الطاقة ، حيث يجب فصل مادة الاحتجاز الإضافية عن المنتج المطلوب.

يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة تكلفة صنع المنتج وقد يؤدي أيضًا إلى خفض جودته.

في بعض الحالات ، قد يؤدي وجود فائض من مادة الاحتجاز إلى تكوين مادة أزيوتروب ثالثة ، مما قد يؤدي إلى تعقيد عملية الفصل.

حامل غير كافٍ:

إذا كنت تستخدم كمية قليلة جدًا من مادة الاحتجاز ، فقد لا يتم فصل المنتج تمامًا أو قد لا يكون نقيًا.

لذلك ، في التقطير الأزيوتروبي ، يجب تحسين كمية مادة الاحتجاز بحيث يمكن الوصول إلى المستوى المطلوب للفصل والنقاء بأقل قدر من الطاقة والتكلفة.

كيف تصنع Azeotropes:

عندما يغير مادة الاحتجاز التقلب النسبي لخليط أزيوتروبي ، فإنه يشكل إما أقصى درجة غليان أو أدنى درجة غليان من مادة الأزيوتروب.

يمكن أن تؤدي إضافة مادة احتجاز إلى زيادة تعزيز نقاء المكون الأزيوتروبي.

ولكن إذا اخترت كمية كبيرة جدًا أو قليلة جدًا من مادة الاحتجاز ، فيمكنها تغيير مدى جودة عمل عملية الفصل.

بعد النقطة الأزيوتروبيك:

من الممكن تقطير خليط أزيوتروبي خارج نقطة الأزيوتروبيك ، ولكن هذه العملية تستخدم تقنيات فصل بديلة مكثفة التكلفة مثل التقطير بالضغط.

بدلاً من محاولة تجاوز نقطة الأزيوتروبيك ، من المهم إيجاد الكمية المناسبة من مادة الاحتجاز للحصول على فصل جيد.

التقطير الأزيوتروبي في الممارسة

مواد حبس في التقطير الأزيوتروبي

نظرًا لأنه يمكن أن يشكل مادة أزيوتروب منخفضة الغليان مع الماء ، فقد كان يستخدم البنزين غالبًا كمحتجز في تقطير الأزيوتروب.

ومع ذلك ، فإن التولوين أفضل من البنزين ، لأن البنزين يمكن أن يسبب السرطان.

يعمل مادة الاحتجاز بشكل جيد إذا كان يمكن أن تتحد مع أحد المكونات الموجودة في خليط العلف لتكوين مادة أزيوتروب جديدة.

هذا يغير التقلب النسبي للمكونات ويجعل من الممكن فصلها.

يجب أن يكون من السهل فصل مادة الاحتجاز عن المنتج الذي تريده ، ويمكنك استعادته عن طريق التقطير أو الصب أو بعض الطرق الأخرى.

في التقطير الأيزوتروبي ، يعتمد تأثير الكثير من مادة الاحتجاز على النظام المستخدم.

عند إضافة كمية كبيرة من مادة الاحتجاز ، تزداد كمية الطاقة المستخدمة لأنه يجب فصل مادة الاحتجاز الإضافية عن المنتج المطلوب.

يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة تكلفة صنع المنتج وقد يؤدي أيضًا إلى خفض جودته.

في بعض الأحيان ، يمكن أن يتسبب الكثير من مادة الاحتجاز في تكوين مادة أزيوتروب ثالثة ، مما قد يجعل عملية الفصل أكثر صعوبة.

من ناحية أخرى ، إذا كنت تستخدم كمية قليلة جدًا من مادة الاحتجاز ، فقد لا يتم فصل المنتج تمامًا أو قد لا يكون نقيًا.

لذلك ، يجب استخدام الكمية المناسبة من مادة الاحتجاز للحصول على مستوى الفصل والنقاء المطلوب بأقل قدر من الطاقة والتكلفة.

أصبحت المذيبات سهلة الانصهار (DES) أكثر شيوعًا كمواد احتجاز في التقطير الأزيوتروبي لأنها أفضل للبيئة من المذيبات التقليدية.

من السهل فصل الخلائط الأزيوتروبية مثل البنزين - سيكلو هكسان وماء الأسيتونيتريل باستخدام DES.

يمكن أيضًا استخدام DES في تقنية تسمى "التقطير الاستخراجي" ، والتي تشبه التقطير وتتضمن إضافة مذيب لإخراج أحد أجزاء خليط العلف.

التقطير الأزيوتروبي مقارنة بالتقطير بالبخار

مع التقطير بالبخار ، يتم فصل المواد الحساسة للحرارة مثل المركبات العطرية الطبيعية عن المواد العضوية.

من ناحية أخرى ، يتم استخدام التقطير الأزيوتروبي لفصل أجزاء خليط الأيزوتروبي.

يصعب فصل المخاليط الأزيوتروبية عن طريق التقطير التقليدي لأن نقاط غليانها تبقى كما هي والأبخرة هي نفسها المزيج السائل.

نظرًا لاستخدام التقطير بالبخار لفصل المواد الحساسة للحرارة ، فمن الصعب تحديد درجة الحرارة الأزيوتروبية للماء والتولوين.

من ناحية أخرى ، يشكل التولوين والماء أزيوتروبًا عند 84.1 درجة مئوية يتكون من 22.85٪ ماء و 77.15٪ بالوزن تولوين.

نظرًا لأنه يعمل كمركب واحد ، لا يمكن فصل خليط التولوين والماء بهذا المكياج عن طريق التقطير البسيط.

يمكنك فصل هذا الخليط باستخدام التقطير الأزيوتروبي مع مادة احتجاز أو التقطير الاستخراجي باستخدام مذيب.

فيديو: إزاحة الأزيوتروب والفصل

نصيحة: قم بتشغيل زر التسمية التوضيحية إذا كنت بحاجة إليه. اختر "ترجمة آلية" في زر الإعدادات ، إذا لم تكن معتادًا على اللغة الإنجليزية. قد تحتاج إلى النقر فوق لغة الفيديو أولاً قبل أن تصبح لغتك المفضلة متاحة للترجمة.

استخدم حالات

مستعمل في:	وصف:
تنظيف المياه	غالبًا ما يستخدم التقطير الأزيوتروبي لتنظيف المياه ، خاصة في صناعات أشباه الموصلات والإلكترونيات حيث هناك حاجة إلى مياه نقية للغاية. بمساعدة مادة الاحتجاز ، يمكن للتقطير الأزيوتروبي أن يصنع الماء مع القليل جدًا من الشوائب التي يمكن استخدامها في المواقف الحساسة.
استرداد المذيبات	يستخدم التقطير الأزيوتروبي لفصل المذيبات عن مخاليط التفاعل. يتيح ذلك استعادة المذيبات باهظة الثمن أو التي يصعب العثور عليها واستخدامها مرة أخرى. على سبيل المثال ، يمكن استخدام التقطير الأزيوتروبي لفصل الإيثانول عن الماء ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لصنع الوقود الحيوي أو لأغراض صناعية أخرى.
استخراج الزيت العطري	الطريقة الشائعة للحصول على الزيوت الأساسية من النباتات هي استخدام التقطير الأزيوتروبي. باستخدام مادة احتجاز ، يمكن للتقطير الأزيوتروبي إخراج المزيد من الزيوت الأساسية من النباتات أكثر من التقطير بالبخار التقليدي. هذا يعني أن الزيوت ستكون ذات جودة أعلى وتنتج المزيد.
تنقية البوليمر	يمكن استخدام التقطير Azeotropic لإزالة الشوائب من البوليمرات التي يمكن أن تغير خصائصها أو كيف تعمل بشكل جيد. على سبيل المثال ، يمكن استخدام التقطير الأزيوتروبي لتنظيف البوليسترين عن طريق التخلص من أي مونومرات متبقية وشوائب أخرى يمكن أن تغير طريقة عمل البوليمر.
إنتاج الأدوية	غالبًا ما يستخدم التقطير الأزيوتروبي لفصل وتنظيف مخاليط التفاعل أثناء إنتاج المستحضرات الصيدلانية. على سبيل المثال ، يمكن استخدام التقطير الأزيوتروبي لفصل وتنظيف مخاليط التفاعل في صنع المضادات الحيوية ، مما ينتج عنه منتجات عالية النقاء.

خاتمة

في الختام ، يعد التقطير الأزيوتروبي طريقة مفيدة لفصل الخلائط المعقدة إلى أجزائها النقية.

إنها أداة قوية للمهندسين والعلماء بسبب قدرتها الفريدة على صنع مكونات نقية بسرعة.

ولكن ، مثل أي طريقة فصل ، لها حدودها وتحتاج إلى تفكير دقيق حول تكوين الخليط ، واختيار مادة الاحتجاز ، وظروف العملية للعمل بشكل جيد.

بينما تستمر في النظر في إمكانيات التقطير الأزيوتروبي ، ضع في اعتبارك أن هذه العملية ليست فقط تحديًا تقنيًا ، ولكنها أيضًا فرصة لحل المشكلات الإبداعي والأفكار الجديدة.

إذا كنت تفكر في التقطير الأزيوتروبي بالطريقة الصحيحة ، فقد يؤدي ذلك إلى اكتشافات وأفكار هندسية جديدة.

لذا ابق متفتحًا وجرب أشياء جديدة. هناك الكثير من الخيارات.