Als Ingenieur oder Ingenieurstudent suchen Sie immer nach Möglichkeiten, flüssige Mischungen schnell und einfach zu trennen und zu reinigen.
Aber Sie wissen vielleicht nichts über azeotrope Destillation.
Dieser Prozess trennt nicht nur Mischungen, sondern kann auch reine Komponenten herstellen, was mit herkömmlichen Destillationsmethoden schwer zu erreichen ist.
Die azeotrope Destillation ist ein komplizierter, aber interessanter Prozess, der in der technischen und chemischen Industrie sehr wichtig geworden ist.
In diesem Artikel werde ich erklären, wie die azeotrope Destillation funktioniert, sowie ihre Vor- und Nachteile und allgemeinen Anwendungen.
Mit diesem Wissen werden Sie in der Lage sein, Ihre Trenntechniken auf die nächste Stufe zu heben.
Einführung in die azeotrope Destillation
Formale Definition:
Ein Verfahren, bei dem ein flüssiges Gemisch mit Hilfe eines zusätzlichen Stoffes oder Lösungsmittels in reine Bestandteile getrennt wird.
Die azeotrope Destillation ist eine Möglichkeit, die Teile einer Mischung zu trennen, indem ein Azeotrop hergestellt wird, bei dem es sich um eine Mischung der Teile handelt, die bei derselben Temperatur siedet.
Die Destillation kann nicht verwendet werden, um ein solches Gemisch in seine Bestandteile zu trennen, da alle Bestandteile die gleiche Menge an Dampf und Flüssigkeit enthalten.
Die extraktive Destillation hingegen ist eine ähnliche Methode zur Trennung von Gemischen, verwendet jedoch anstelle eines Schleppmittels ein Lösungsmittel, um die Gemische zu trennen.
Azeotrope Destillation
Bei der azeotropen Destillation wird ein Schleppmittel verwendet, um die Flüchtigkeit der verschiedenen Bestandteile des Gemisches zu verändern, was es ermöglicht, sie zu trennen.
Durch Kombinieren einer oder mehrerer der Komponenten mit dem Schleppmittel wird ein neues Azeotrop hergestellt.
Dieses neue Azeotrop kann durch fraktionierte Destillation vom ursprünglichen Gemisch abgetrennt werden.
Das Schleppmittel ist üblicherweise ein Teil der Mischung, der im Vergleich zu den anderen Teilen einen niedrigen Siedepunkt und eine hohe relative Flüchtigkeit aufweist.
Bildet die Mischung ein niedrigsiedendes Azeotrop, also das Azeotrop mit dem niedrigsten Siedepunkt, verbindet sich das Schleppmittel mit dem leichter flüchtigen Teil der ursprünglichen Mischung zu einem Azeotrop.
Dabei verdampft zuerst das Azeotrop mit dem niedrigsten Siedepunkt, das sich bei Zugabe des Schleppmittels bildet.
Dies wird als Destillat bezeichnet.
Falls nicht, wenn sich mit dem Schleppmittel ein Azeotrop mit höchstem Siedepunkt bildet, verdampft zuerst der leichter flüchtige Teil der ursprünglichen Mischung.
Dies ermöglicht eine fraktionierte Destillation, um die Teile der ursprünglichen Mischung zu trennen.
Extraktive Destillation
Bei der extraktiven Destillation muss jedes Gemisch ein anderes Trennlösungsmittel verwenden, und die Lösungsmittel sollten nicht dazu neigen, ein Azeotrop zu bilden.
Das Lösungsmittel verändert das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht der Mischung, was eine Trennung der Teile ermöglicht.
Mit der Extraktivdestillation können Gemische getrennt werden, die zur Bildung von Azeotropen neigen, was mit der Azeotropdestillation nicht möglich ist.
Konstant siedende Mischungen
Ein Gemisch, das mit konstanter Geschwindigkeit siedet, auch als "azeotropes" Gemisch bezeichnet, hat Auswirkungen auf die fraktionierte Destillation von nicht idealen Gemischen (Azeotropen).
Wenn das Gesetz von Raoult positiv gebrochen wird, entsteht eine Dampfdruckkurve mit einem Maximalwert, der nicht rein A oder rein B ist.
Wenn diese Mischungen viel Dampf haben, sind ihre Siedepunkte niedrig.
Die Moleküle bewegen sich leicht, und die fraktionierte Destillation allein reicht nicht aus, um reines Ethanol zu erhalten, da es immer noch Wasser und andere Verunreinigungen enthält.
Die Kunst komplizierter Trennungen: Erkundung der azeotropen Destillation
Immer noch schwer zu bekommen und schwer zu verstehen? Lassen Sie mich die Sichtweise etwas ändern:
Sind Sie müde von den gleichen alten langweiligen Destillationsprozessen, die nur Mischungen trennen, ohne zusätzliches Flair hinzuzufügen? Möchten Sie Ihre Trenntechniken schwieriger und verwirrender machen, als sie sein müssen? Nun, ich habe die Antwort für Sie! Die azeotrope Destillation ist ein Prozess, der eine einfache Trennung erfordert und ihn in ein Labyrinth aus zusätzlichen Substanzen und Lösungsmitteln verwandelt.
Warum nur eine Sache verwenden, um Mischungen zu trennen, wenn Sie zwei oder drei verwenden können? Wer will schon einfach sein, wenn es kompliziert sein kann? Azeotrope Destillation: Manchmal ist der beste Weg, Ihre Teile zu reinigen, den Prozess so kompliziert wie möglich zu gestalten.
OK, das war nur ein als Fernsehwerbung getarnter Witz. Kommen wir nun zurück zur Erklärung.
Der azeotrope Destillationsprozess
Die azeotrope Destillation hat viele Vorteile gegenüber anderen Trennverfahren, z. B. Wie einfach es ist, das Schleppmittel und das gewünschte Produkt zu trennen, wie einfach es zu verwenden ist, wie wenig Energie es verbraucht und wie billig es ist.
Arten von Entführern
Für die azeotrope Destillation gibt es drei Arten von Schleppmitteln: homogen, heterogen und extraktiv.
Homogene Schleppmittel können sich mit allen Futterkomponenten vermischen, heterogene Schleppmittel bilden jedoch zwei flüssige Phasen, die sich nicht vermischen können.
Extraktive Schleppmittel bilden mit keiner der Futtermittelkomponenten ein Azeotrop.
Stattdessen entfernen sie nur die polareren oder weniger polaren Komponenten basierend auf ihrer Polarität.
Homogene und heterogene azeotrope Destillation
Es gibt zwei Arten der azeotropen Destillation, homogen und heterogen genannt, die davon abhängen, wie das Schleppmittel mit der Beschickungsmischung interagiert.
Die homogene azeotrope Destillation ist einfacher anzuwenden und effizienter als die heterogene azeotrope Destillation, da sich das Schleppmittel mit allen Komponenten in der Beschickung vermischen kann.
Bei der heterogenen azeotropen Destillation hingegen wird ein Schleppmittel verwendet, das sich mit keinem der Bestandteile der Beschickungsmischung vermischen kann.
Dies kann dazu führen, dass die Säule bei kleinen Druckänderungen versagt oder der Dekanter bei kleinen Leckagen abschaltet.
Sie wird also stärker von ihrer Betriebsweise beeinflusst als die homogene azeotrope Destillation.
Einschränkungen der azeotropen Destillation
Die azeotrope Destillation hat einige Vorteile, aber auch einige Probleme.
Einige Lösungen können nicht so gut durch Destillation getrennt werden, wenn sie in ihren Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtszuständen Azeotrope aufweisen.
Auch die Wahl des azeotropen Mittels kann einen großen Einfluss auf den Prozess haben und bei unsachgemäßer Handhabung die Umwelt verschmutzen.
Außerdem verbraucht die azeotrope Destillation immer noch viel Energie und liefert möglicherweise nicht immer den Reinheitsgrad, der für die Zielprodukte erforderlich ist.
Anwendungen der azeotropen Destillation
Dehydratisierung von Ethanol
Eine der bekanntesten Methoden der azeotropen Destillation ist die Entfernung von Wasser aus Mischungen aus Ethanol und Wasser.
Das azeotrope Gemisch gelangt in die letzte Kolonne, wo die azeotrope Destillation stattfindet.
Früher wurden dafür viele verschiedene Schleppmittel verwendet, am häufigsten wurde jedoch Benzol verwendet, bis festgestellt wurde, dass es krebserregend ist.
Meistens wird Cyclohexan verwendet, um das Ethanol-Wasser-Azeotrop in der modernen Wissenschaft zu brechen.
Dieser Prozess ist sehr wichtig in der Kraftstoff-Ethanol-Industrie, wo dem Ethanol Wasser entzogen werden muss, um Motorschäden zu vermeiden und die Ethanolmenge in Kraftstoffmischungen zu erhöhen.
Heterogene azeotrope Destillation
Die Zugabe eines Schleppmittels, das eine separate Phase bildet, ist Teil einer Untergruppe industrieller azeotroper Destillationsverfahren.
Ähnlich wie bei der extraktiven Destillation wird dieser Prozess der Zugabe eines Schleppmittels, das eine neue Phase erzeugt, als Entrainment bezeichnet.
Eine übliche Methode zur Anwendung dieser Methode besteht darin, Benzol mit Wasser und Ethanol zu mischen, um ein neues heterogenes Azeotrop mit einem niedrigeren Siedepunkt herzustellen, das auf übliche Weise getrennt werden kann.
Diese Methode ist besonders nützlich, um Verunreinigungen in organischen Lösungsmitteln zu entfernen, ätherische Öle zu reinigen und Kohlenwasserstoffe zurückzugewinnen.
Andere Verwendungen
Die azeotrope Destillation hat neben der Dehydratisierung von Ethanol und der heterogenen azeotropen Destillation eine Reihe von Anwendungen in der Industrie, wie zum Beispiel:
- Isomere, die nahezu die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften haben, können durch azeotrope Destillation getrennt werden.
- Die azeotrope Destillation wird in der pharmazeutischen, chemischen und Polymerindustrie verwendet, um Lösungsmittel aus Abfallströmen zurückzugewinnen.
- Saure Gase werden mithilfe eines Prozesses namens azeotrope Destillation aus Erdgasströmen entfernt.
- Trennung von ätherischen Ölen: Die azeotrope Destillation wird verwendet, um ätherische Öle von Pflanzenmaterial zu trennen und zu reinigen.
- Entfernung von Wasser aus Lösungsmitteln: Die azeotrope Destillation wird in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet, um Wasser aus Lösungsmitteln zu entfernen.
Herausforderungen in der azeotropen Destillation
Die azeotrope Destillation ist eine gute Möglichkeit, azeotrope Gemische zu trennen, bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich, die bewältigt werden müssen, um die besten Ergebnisse zu erzielen.
Entrainer-Auswahl:
Bei der Synthese und konzeptionellen Gestaltung von AD-Prozessen ist die Wahl eines Schleppmittels sehr wichtig, da es die Reihenfolge der Trennung bestimmt.
Das Schleppmittel muss mit einer der Mischungskomponenten ein starkes Azeotrop bilden und sich leicht vom gewünschten Produkt trennen lassen.
Die Wahl des Schleppmittels beeinflusst die Qualität und Reinheit des Produktes und kann bei unsachgemäßer Anwendung auch die Umwelt belasten.
Excess Entrainer's Effects:
Die Zugabe einer überschüssigen Schleppmittelmenge kann zu einem erhöhten Energieverbrauch führen, da das zusätzliche Schleppmittel vom gewünschten Produkt getrennt werden muss.
Dies kann die Herstellungskosten des Produkts erhöhen und auch seine Qualität verringern.
In einigen Fällen kann ein Überschuss an Schleppmittel zur Bildung eines dritten Azeotrops führen, was den Trennprozess erschweren kann.
Unzureichender Mitbringsel:
Wenn Sie zu wenig Schleppmittel verwenden, wird das Produkt möglicherweise nicht vollständig getrennt oder ist nicht so rein.
Daher sollte bei der azeotropen Destillation die Schleppmittelmenge so optimiert werden, dass mit geringstem Energie- und Kostenaufwand der gewünschte Trenn- und Reinheitsgrad erreicht werden kann.
Wie Azeotrope hergestellt werden:
Wenn ein Schleppmittel die relative Flüchtigkeit einer azeotropen Mischung ändert, bildet es entweder ein maximal siedendes oder ein minimal siedendes Azeotrop.
Die Zugabe eines Schleppmittels kann die Reinheit einer azeotropen Komponente weiter verbessern.
Aber wenn Sie zu viel oder zu wenig Schleppmittel wählen, kann dies die Funktionsweise des Trennprozesses verändern.
Nach dem Azeotroppunkt:
Es ist möglich, ein azeotropes Gemisch über seinen azeotropen Punkt hinaus zu destillieren, aber dieses Verfahren nutzt alternative kostenintensive Trenntechniken wie Druckwechseldestillation.
Anstatt zu versuchen, über den azeotropen Punkt hinaus zu destillieren, ist es wichtig, die richtige Menge an Schleppmittel zu finden, um eine gute Trennung zu erreichen.
Azeotrope Destillation in der Praxis
Schleppmittel in der azeotropen Destillation
Da es mit Wasser ein niedrigsiedendes Azeotrop bilden kann, wurde Benzol oft als Schleppmittel in der Azeotropdestillation verwendet.
Toluol ist jedoch besser als Benzol, weil Benzol Krebs verursachen kann.
Ein Schleppmittel funktioniert gut, wenn es sich mit einer der Komponenten in der Beschickungsmischung verbinden kann, um ein neues Azeotrop zu bilden.
Dadurch verändert sich die relative Flüchtigkeit der Komponenten und ermöglicht deren Trennung.
Das Schleppmittel sollte leicht von dem gewünschten Produkt zu trennen sein, und Sie können es durch Destillieren, Dekantieren oder eine andere Methode zurückgewinnen.
Bei der azeotropen Destillation ist die Wirkung von zu viel Schleppmittel systemabhängig.
Wird zu viel Schleppmittel zugesetzt, erhöht sich der Energieaufwand, da das zusätzliche Schleppmittel vom gewünschten Produkt getrennt werden muss.
Dies kann die Herstellungskosten des Produkts erhöhen und auch seine Qualität verringern.
Manchmal kann zu viel Schleppmittel dazu führen, dass sich ein drittes Azeotrop bildet, was den Trennprozess erschweren kann.
Wenn Sie dagegen zu wenig Schleppmittel verwenden, wird das Produkt möglicherweise nicht vollständig getrennt oder ist nicht so rein.
Daher sollte die richtige Menge an Schleppmittel verwendet werden, um das erforderliche Maß an Trennung und Reinheit mit dem geringsten Energie- und Kostenaufwand zu erreichen.
Tiefeutektische Lösungsmittel (DES) werden als Schleppmittel in der azeotropen Destillation immer beliebter, weil sie besser für die Umwelt sind als herkömmliche Lösungsmittel.
Azeotrope Gemische wie Benzol-Cyclohexan und Acetonitril-Wasser lassen sich mit DES leicht trennen.
DES kann auch in einer Technik namens "extraktive Destillation" verwendet werden, die der Destillation ähnlich ist und die Zugabe eines Lösungsmittels beinhaltet, um einen der Teile der Beschickungsmischung herauszulösen.
Azeotrope Destillation im Vergleich zur Wasserdampfdestillation
Bei der Wasserdampfdestillation werden hitzeempfindliche Stoffe wie natürliche Aromastoffe von organischen Stoffen getrennt.
Die azeotrope Destillation hingegen wird verwendet, um die Teile eines azeotropen Gemisches zu trennen.
Azeotrope Mischungen sind mit herkömmlicher Destillation schwer zu trennen, da ihre Siedepunkte gleich bleiben und die Dämpfe die gleichen sind wie die flüssige Mischung.
Da Wasserdampfdestillation zur Trennung von hitzeempfindlichen Stoffen verwendet wird, ist es schwierig zu sagen, wie hoch die azeotrope Temperatur von Wasser und Toluol ist.
Andererseits bilden Toluol und Wasser bei 84,1 °C ein Azeotrop, das aus 22,85 % Wasser und 77,15 Gew.-% Toluol besteht.
Da es sich wie eine einzige Verbindung verhält, kann ein Gemisch aus Toluol und Wasser mit dieser Zusammensetzung nicht durch einfache Destillation weiter getrennt werden.
Sie können dieses Gemisch durch azeotrope Destillation mit einem Schleppmittel oder extraktive Destillation mit einem Lösungsmittel trennen.
Video: Azeotrope Verschiebung und Trennung
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Anwendungsfälle
| Benutzt in: | Beschreibung: |
|---|---|
| Reinigungswasser | Die azeotrope Destillation wird häufig zur Reinigung von Wasser eingesetzt, insbesondere in der Halbleiter- und Elektronikindustrie, wo ultrareines Wasser benötigt wird. Mit Hilfe eines Schleppmittels kann die azeotrope Destillation Wasser mit sehr geringen Verunreinigungen herstellen, das in sensiblen Situationen verwendet werden kann. |
| Lösungsmittelrückgewinnung | Die azeotrope Destillation wird verwendet, um Lösungsmittel aus Reaktionsgemischen abzutrennen. Dadurch können teure oder schwer zu findende Lösungsmittel zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Beispielsweise kann durch azeotrope Destillation Ethanol von Wasser getrennt werden, das dann zur Herstellung von Biokraftstoffen oder für andere industrielle Zwecke verwendet werden kann. |
| Extraktion ätherischer Öle | Eine beliebte Methode, ätherische Öle aus Pflanzen zu gewinnen, ist die azeotrope Destillation. Mit einem Schleppmittel kann die azeotrope Destillation mehr ätherische Öle aus Pflanzen herausholen als die traditionelle Wasserdampfdestillation. Das bedeutet, dass die Öle von höherer Qualität sind und mehr erbringen. |
| Polymerreinigung | Die azeotrope Destillation kann verwendet werden, um Verunreinigungen aus Polymeren zu entfernen, die ihre Eigenschaften oder ihre Funktionsweise verändern könnten. Zum Beispiel kann die azeotrope Destillation verwendet werden, um Polystyrol zu reinigen, indem alle übrig gebliebenen Monomere und andere Verunreinigungen entfernt werden, die die Funktionsweise des Polymers verändern könnten. |
| Pharmazeutische Produktion | Die azeotrope Destillation wird häufig zur Trennung und Reinigung von Reaktionsgemischen bei der Herstellung von Arzneimitteln eingesetzt. Beispielsweise kann die azeotrope Destillation verwendet werden, um Reaktionsgemische bei der Herstellung von Antibiotika zu trennen und zu reinigen, was zu hochreinen Produkten führt. |
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die azeotrope Destillation eine nützliche Methode ist, um komplizierte Mischungen in ihre reinen Teile zu trennen.
Aufgrund seiner einzigartigen Fähigkeit, schnell reine Komponenten herzustellen, ist es ein leistungsstarkes Werkzeug für Ingenieure und Wissenschaftler.
Aber wie jede Trennmethode hat sie ihre Grenzen und erfordert sorgfältige Überlegungen hinsichtlich der Zusammensetzung der Mischung, der Wahl des Schleppmittels und der Prozessbedingungen, um gut zu funktionieren.
Wenn Sie sich weiter mit den Möglichkeiten der azeotropen Destillation beschäftigen, bedenken Sie, dass dieses Verfahren nicht nur eine technische Herausforderung ist, sondern auch eine Chance für kreative Problemlösungen und neue Ideen.
Wenn Sie über die azeotrope Destillation richtig nachdenken, kann dies zu neuen technischen Entdeckungen und Ideen führen.
Bleiben Sie also offen und probieren Sie Neues aus. Es gibt viele Möglichkeiten.
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