En tant qu'ingénieur ou étudiant en ingénierie, vous êtes toujours à la recherche de moyens de séparer et de purifier des mélanges liquides de manière simple et rapide.
Mais vous ne connaissez peut-être pas la distillation azéotropique.
Non seulement ce processus sépare les mélanges, mais il peut également produire des composants purs, ce qui est difficile à faire avec les méthodes de distillation traditionnelles.
La distillation azéotropique est un processus compliqué mais intéressant qui est devenu très important dans les industries mécaniques et chimiques.
Dans cet article, j'expliquerai le fonctionnement de la distillation azéotropique, ainsi que ses avantages, ses inconvénients et ses utilisations courantes.
Avec ces connaissances, vous serez en mesure de faire passer vos techniques de séparation au niveau supérieur.
Introduction à la distillation azéotropique
Définition formelle:
Processus par lequel un mélange liquide est séparé en composants purs à l'aide d'une substance ou d'un solvant supplémentaire.
La distillation azéotropique est un moyen de séparer les parties d'un mélange en fabriquant un azéotrope, qui est un mélange des parties qui bout à la même température.
La distillation ne peut pas être utilisée pour séparer ce type de mélange en ses parties car toutes les parties ont la même quantité de vapeur et de liquide.
La distillation extractive, en revanche, est un moyen similaire de séparer les mélanges, mais au lieu d'un entraîneur, elle utilise un solvant pour séparer les mélanges.
Distillation azéotropique
Dans la distillation azéotropique, un entraîneur est utilisé pour modifier la volatilité des différentes parties du mélange, ce qui permet de les séparer.
En combinant un ou plusieurs des composants avec l'entraîneur, un nouvel azéotrope est créé.
Ce nouvel azéotrope peut être séparé du mélange d'origine par distillation fractionnée.
L'entraîneur est généralement une partie du mélange qui a un point d'ébullition bas et une volatilité relative élevée par rapport aux autres parties.
Si le mélange forme un azéotrope à point d'ébullition minimum, qui est l'azéotrope avec le point d'ébullition le plus bas, l'entraîneur se combinera avec la partie la plus volatile du mélange d'origine pour former un azéotrope.
Dans ce cas, l'azéotrope avec le point d'ébullition le plus bas qui se forme lorsque l'entraîneur est ajouté s'évapore en premier.
C'est ce qu'on appelle le distillat.
Sinon, si un azéotrope à point d'ébullition maximal se forme avec l'entraîneur, la partie la plus volatile du mélange d'origine s'évapore en premier.
Cela permet à la distillation fractionnée de séparer les parties du mélange d'origine.
Distillation extractive
Dans la distillation extractive, chaque mélange doit utiliser un solvant de séparation différent, et les solvants ne doivent pas avoir tendance à former un azéotrope.
Le solvant modifie l'équilibre vapeur-liquide du mélange, ce qui permet de séparer les pièces.
La distillation extractive peut être utilisée pour séparer des mélanges qui ont tendance à former des azéotropes, ce qui n'est pas possible avec la distillation azéotropique.
Mélanges à ébullition constante
Un mélange qui bout à vitesse constante, également appelé mélange "azéotropique", a des effets sur la distillation fractionnée de mélanges moins qu'idéaux (azéotropes).
Si la loi de Raoult est brisée de manière positive, elle crée une courbe de pression de vapeur avec une valeur maximale qui n'est ni A pur ni B pur.
Si ces mélanges contiennent beaucoup de vapeur, leurs points d'ébullition seront bas.
Les molécules se déplacent facilement et la distillation fractionnée seule ne suffit pas pour obtenir de l'éthanol pur car il contiendra toujours de l'eau et d'autres impuretés.
L'art des séparations compliquées : exploration de la distillation azéotropique
Toujours difficile à obtenir et difficile à comprendre ? Je change un peu le point de vue :
Êtes-vous fatigué des mêmes processus de distillation ennuyeux qui ne font que séparer les mélanges sans ajouter de style supplémentaire ? Voulez-vous rendre vos techniques de séparation plus difficiles et plus déroutantes qu'elles ne devraient l'être ? Eh bien, j'ai la réponse pour vous! La distillation azéotropique est un processus qui prend une séparation simple et la transforme en un labyrinthe de substances et de solvants supplémentaires.
Pourquoi n'utiliser qu'une seule chose pour séparer les mélanges quand on peut en utiliser deux ou trois ? Qui veut être simple quand on peut être compliqué ? Distillation azéotropique : Parfois, la meilleure façon de nettoyer vos pièces est de rendre le processus aussi compliqué que possible.
OK, c'était juste une blague déguisée en publicité télévisée. Revenons maintenant à l'explication.
Le processus de distillation azéotropique
La distillation azéotropique présente de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes de séparation, telles que la facilité de séparation de l'entraîneur et du produit souhaité, la facilité d'utilisation, la faible consommation d'énergie et le faible coût.
Types d'entraîneurs
Pour la distillation azéotropique, il existe trois types d'entraîneurs : homogène, hétérogène et extractif.
Les entraîneurs homogènes peuvent se mélanger avec tous les composants de l'alimentation, mais les entraîneurs hétérogènes forment deux phases liquides qui ne peuvent pas se mélanger.
Les entraîneurs extractifs ne forment un azéotrope avec aucun des composants de l'alimentation.
Au lieu de cela, ils suppriment uniquement les composants les plus polaires ou les moins polaires en fonction de leur polarité.
Distillation azéotropique homogène et hétérogène
Il existe deux types de distillation azéotropique, appelée homogène et hétérogène, qui dépendent de la manière dont l'entraîneur interagit avec le mélange d'alimentation.
La distillation azéotropique homogène est plus facile à utiliser et plus efficace que la distillation azéotropique hétérogène car l'entraîneur peut se mélanger avec tous les composants de la charge.
La distillation azéotropique hétérogène, quant à elle, utilise un entraîneur qui ne peut se mélanger à aucune des parties du mélange d'alimentation.
Cela peut entraîner une défaillance de la colonne avec de petits changements de pression ou l'arrêt du décanteur avec de petites fuites.
Ainsi, il est plus affecté par la façon dont il est exécuté que la distillation azéotropique homogène.
Limites de la distillation azéotropique
La distillation azéotropique présente certains avantages, mais elle présente également certains problèmes.
Certaines solutions ne peuvent pas être bien séparées par distillation si elles ont des azéotropes dans leurs états d'équilibre vapeur-liquide.
De plus, le choix de l'agent azéotropique peut avoir un effet important sur le procédé et, s'il n'est pas manipulé correctement, il peut polluer l'environnement.
De plus, l'utilisation de la distillation azéotropique consomme encore beaucoup d'énergie et ne produit pas toujours le niveau de pureté nécessaire pour les produits cibles.
Applications de la distillation azéotropique
Déshydratation de l'éthanol
L'un des moyens les plus connus d'utilisation de la distillation azéotropique consiste à éliminer l'eau des mélanges d'éthanol et d'eau.
Le mélange azéotropique va à la dernière colonne, où se produit la distillation azéotropique.
Dans le passé, de nombreux entraîneurs différents étaient utilisés pour cela, mais le benzène était le plus utilisé jusqu'à ce qu'il soit découvert qu'il causait le cancer.
La plupart du temps, le cyclohexane est utilisé pour casser l'azéotrope éthanol-eau dans la science moderne.
Ce processus est très important dans l'industrie de l'éthanol-carburant, où l'eau doit être retirée de l'éthanol pour empêcher les moteurs de tomber en panne et pour augmenter la quantité d'éthanol dans les mélanges de carburant.
Distillation azéotropique hétérogène
L'ajout d'un entraîneur qui crée une phase séparée fait partie d'un sous-ensemble de méthodes de distillation azéotropique industrielle.
Semblable à la distillation extractive, ce processus d'ajout d'un entraîneur qui crée une nouvelle phase est appelé entraînement.
Une manière courante d'utiliser cette méthode consiste à mélanger du benzène avec de l'eau et de l'éthanol pour créer un nouvel azéotrope hétérogène avec un point d'ébullition inférieur qui peut être séparé de la manière habituelle.
Cette méthode est particulièrement utile pour se débarrasser des impuretés dans les solvants organiques, nettoyer les huiles essentielles et récupérer les hydrocarbures.
Autres utilisations
La distillation azéotropique a un certain nombre d'utilisations dans l'industrie en plus de la déshydratation de l'éthanol et de la distillation azéotropique hétérogène, telles que :
- Les isomères, qui ont presque les mêmes propriétés physiques et chimiques, peuvent être séparés par distillation azéotropique.
- La distillation azéotropique est utilisée dans les industries pharmaceutique, chimique et des polymères pour récupérer les solvants des flux de déchets.
- Les gaz acides sont extraits des flux de gaz naturel à l'aide d'un processus appelé distillation azéotropique.
- Séparation des huiles essentielles : La distillation azéotropique est utilisée pour séparer et nettoyer les huiles essentielles de la matière végétale.
- Élimination de l'eau des solvants : La distillation azéotropique est utilisée dans les industries chimiques et pharmaceutiques pour éliminer l'eau des solvants.
Défis de la distillation azéotropique
La distillation azéotropique est un bon moyen de séparer les mélanges azéotropiques, mais elle comporte certains défis qui doivent être relevés pour obtenir les meilleurs résultats.
Sélection d'entraîneur :
Dans la synthèse et la conception des processus AD, le choix d'un entraîneur est très important car il détermine l'ordre de séparation.
L'entraîneur doit former un azéotrope puissant avec l'un des composants du mélange et être facile à séparer du produit souhaité.
Le choix de l'entraîneur affecte la qualité et la pureté du produit, et s'il n'est pas utilisé correctement, il peut également polluer l'environnement.
Effets de l'Excess Entrainer :
L'ajout d'une quantité excessive d'entraîneur peut entraîner une augmentation de la consommation d'énergie, car l'entraîneur supplémentaire doit être séparé du produit souhaité.
Cela peut augmenter le coût de fabrication du produit et peut également réduire sa qualité.
Dans certains cas, un excès d'entraîneur peut conduire à la formation d'un troisième azéotrope, ce qui peut compliquer le processus de séparation.
Entraîneur insuffisant :
Si vous utilisez trop peu d'entraîneur, le produit peut ne pas être complètement séparé ou ne pas être aussi pur.
Ainsi, dans la distillation azéotropique, la quantité d'entraîneur doit être optimisée afin que le niveau de séparation et de pureté souhaité puisse être atteint avec le moins d'énergie et de coût.
Comment sont fabriqués les azéotropes :
Lorsqu'un entraîneur modifie la volatilité relative d'un mélange azéotropique, il forme un azéotrope à ébullition maximale ou à ébullition minimale.
L'ajout d'un entraîneur peut encore améliorer la pureté d'un composant azéotropique.
Mais si vous choisissez trop ou trop peu d'entraîneur, cela peut modifier le bon fonctionnement du processus de séparation.
Après le point azéotropique :
La distillation d'un mélange azéotropique au-delà de son point azéotropique est possible, mais ce procédé utilise des techniques de séparation alternatives coûteuses comme la distillation modulée en pression.
Au lieu d'essayer de distiller au-delà du point azéotropique, il est important de trouver la bonne quantité d'entraîneur pour obtenir une bonne séparation.
Distillation azéotropique en pratique
Entraîneurs en distillation azéotropique
Parce qu'il peut former un azéotrope à bas point d'ébullition avec l'eau, le benzène était souvent utilisé comme entraîneur dans la distillation azéotrope.
Le toluène est cependant meilleur que le benzène, car le benzène peut provoquer le cancer.
Un entraîneur fonctionne bien s'il peut se combiner avec l'un des composants du mélange d'alimentation pour créer un nouvel azéotrope.
Cela modifie la volatilité relative des composants et permet de les séparer.
L'entraîneur doit être facile à séparer du produit que vous souhaitez, et vous pouvez le récupérer par distillation, décantation ou toute autre méthode.
Dans la distillation azéotropique, l'effet d'une trop grande quantité d'entraîneur dépend du système utilisé.
Lorsque trop d'entraîneur est ajouté, la quantité d'énergie utilisée augmente car l'entraîneur supplémentaire doit être séparé du produit souhaité.
Cela peut augmenter le coût de fabrication du produit et peut également réduire sa qualité.
Parfois, trop d'entraîneur peut provoquer la formation d'un troisième azéotrope, ce qui peut rendre le processus de séparation plus difficile.
D'un autre côté, si vous utilisez trop peu d'entraîneur, le produit pourrait ne pas être complètement séparé ou ne pas être aussi pur.
Ainsi, la bonne quantité d'entraîneur doit être utilisée pour obtenir le niveau de séparation et de pureté nécessaire avec le moins d'énergie et de coût.
Les solvants eutectiques profonds (DES) sont de plus en plus populaires comme entraîneurs dans la distillation azéotropique car ils sont meilleurs pour l'environnement que les solvants traditionnels.
Les mélanges azéotropiques comme le benzène-cyclohexane et l'acétonitrile-eau sont faciles à séparer avec le DES.
Le DES peut également être utilisé dans une technique appelée "distillation extractive", qui est similaire à la distillation et consiste à ajouter un solvant pour extraire l'une des parties du mélange d'alimentation.
Distillation azéotropique par rapport à la distillation à la vapeur
Avec la distillation à la vapeur, les matériaux sensibles à la chaleur comme les composés aromatiques naturels sont séparés des matériaux organiques.
La distillation azéotropique, quant à elle, est utilisée pour séparer les parties d'un mélange azéotropique.
Les mélanges azéotropiques sont difficiles à séparer avec la distillation traditionnelle car leurs points d'ébullition restent les mêmes et les vapeurs sont les mêmes que le mélange liquide.
Étant donné que la distillation à la vapeur est utilisée pour séparer les matériaux sensibles à la chaleur, il est difficile de dire quelle est la température azéotropique de l'eau et du toluène.
Le toluène et l'eau, quant à eux, forment un azéotrope à 84,1 °C composé de 22,85 % d'eau et de 77,15 % en poids de toluène.
Puisqu'il agit comme un composé unique, un mélange de toluène et d'eau avec cet appoint ne peut plus être séparé par simple distillation.
Vous pouvez séparer ce mélange en utilisant une distillation azéotropique avec un entraîneur ou une distillation extractive avec un solvant.
Vidéo : Déplacement et séparation azéotrope
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Cas d'utilisation
| Utilisé dans: | Description: |
|---|---|
| Eau de nettoyage | La distillation azéotropique est souvent utilisée pour nettoyer l'eau, en particulier dans les industries des semi-conducteurs et de l'électronique où une eau ultra-pure est nécessaire. Avec l'aide d'un entraîneur, la distillation azéotropique peut produire de l'eau avec très peu d'impuretés qui peut être utilisée dans des situations sensibles. |
| Récupération de solvant | La distillation azéotropique est utilisée pour séparer les solvants des mélanges réactionnels. Cela permet de récupérer et de réutiliser des solvants coûteux ou difficiles à trouver. Par exemple, la distillation azéotropique peut être utilisée pour séparer l'éthanol de l'eau, qui peut ensuite être utilisée pour fabriquer des biocarburants ou à d'autres fins industrielles. |
| Extraction d'huiles essentielles | Un moyen populaire d'obtenir des huiles essentielles à partir de plantes consiste à utiliser la distillation azéotropique. En utilisant un entraîneur, la distillation azéotropique peut extraire plus d'huiles essentielles des plantes que la distillation à la vapeur traditionnelle. Cela signifie que les huiles seront de meilleure qualité et donneront plus. |
| Purification des polymères | La distillation azéotropique peut être utilisée pour éliminer les impuretés des polymères qui pourraient modifier leurs propriétés ou leur efficacité. Par exemple, la distillation azéotropique peut être utilisée pour nettoyer le polystyrène en éliminant les restes de monomères et autres impuretés qui pourraient modifier le fonctionnement du polymère. |
| Production pharmaceutique | La distillation azéotropique est souvent utilisée pour séparer et nettoyer les mélanges réactionnels lors de la production de produits pharmaceutiques. Par exemple, la distillation azéotropique peut être utilisée pour séparer et nettoyer les mélanges réactionnels dans la fabrication d'antibiotiques, ce qui donne des produits de haute pureté. |
Conclusion
En conclusion, la distillation azéotropique est un moyen utile de séparer des mélanges compliqués en leurs parties pures.
C'est un outil puissant pour les ingénieurs et les scientifiques en raison de sa capacité unique à fabriquer rapidement des composants purs.
Mais, comme toute méthode de séparation, elle a ses limites et nécessite une réflexion approfondie sur la composition du mélange, le choix de l'entraîneur et les conditions du procédé pour bien fonctionner.
Alors que vous continuez à explorer les possibilités de la distillation azéotropique, gardez à l'esprit que ce processus n'est pas seulement un défi technique, mais aussi une opportunité de résolution créative de problèmes et de nouvelles idées.
Si vous pensez à la distillation azéotropique de la bonne manière, cela peut conduire à de nouvelles découvertes et idées techniques.
Alors gardez l'esprit ouvert et essayez de nouvelles choses. Il y a beaucoup d'options.
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