Mérnökként vagy mérnökhallgatóként mindig a folyékony keverékek gyors és egyszerű szétválasztásának és tisztításának módját keresi.
De lehet, hogy nem ismeri az azeotróp desztillációt.
Ez az eljárás nemcsak a keverékeket választja szét, hanem tiszta komponenseket is készíthet, ami a hagyományos desztillációs módszerekkel nehezen kivitelezhető.
Az azeotróp desztilláció bonyolult, de érdekes folyamat, amely nagyon fontossá vált a gépiparban és a vegyiparban.
Ebben a cikkben elmagyarázom az azeotróp desztilláció működését, valamint annak előnyeit, hátrányait és általános felhasználásait.
Ezzel a tudással magasabb szintre emelheti elválasztási technikáit.
Bevezetés az azeotróp desztillációba
Formális meghatározás:
Eljárás, amelynek során a folyékony keveréket további anyag vagy oldószer segítségével tiszta komponensekre választják szét.
Az azeotróp desztilláció a keverék részeinek elválasztásának módja azeotróp készítésével, amely a részek azonos hőmérsékleten forráspontú keveréke.
Desztillációval nem lehet ezt a fajta keveréket részekre bontani, mert minden rész azonos mennyiségű gőzt és folyadékot tartalmaz.
Az extrakciós desztilláció ezzel szemben a keverékek szétválasztásához hasonló módszer, de hordozó helyett oldószert használ a keverékek szétválasztására.
Azeotróp desztilláció
Az azeotróp desztilláció során egy vivőanyagot használnak annak megváltoztatására, hogy a keverék egyes részei mennyire illékonyak, ami lehetővé teszi azok elválasztását.
Egy vagy több komponens kombinálásával a hordozóanyaggal új azeotróp keletkezik.
Ez az új azeotróp frakcionált desztillációval választható el az eredeti keveréktől.
A hordozóanyag általában a keverék olyan része, amelynek forráspontja alacsony, és relatív illékonysága a többi részhez képest nagy.
Ha a keverék minimális forráspontú azeotrópot képez, amely a legalacsonyabb forráspontú azeotróp, akkor a hordozóanyag az eredeti keverék illékonyabb részével azeotrópot képez.
Ebben az esetben először az edény hozzáadásakor keletkező legalacsonyabb forráspontú azeotróp párolog el.
Ezt desztillátumnak nevezik.
Ha nem, ha egy maximális forráspontú azeotróp képződik a hordozóval, akkor először az eredeti keverék illékonyabb része párolog el.
Ez lehetővé teszi a frakcionált desztillációt az eredeti keverék részeinek szétválasztására.
Extraktív desztilláció
Az extrakciós desztilláció során minden keverékhez más elválasztó oldószert kell használni, és az oldószerek nem hajlamosak azeotróp kialakítására.
Az oldószer megváltoztatja a keverék gőz-folyadék egyensúlyát, ami lehetővé teszi a részek szétválasztását.
Az extraktív desztillációt azeotrópok képzésére hajlamos keverékek elkülönítésére lehet használni, ami azeotróp desztillációval nem lehetséges.
Állandó forrásban lévő keverékek
Az állandó sebességgel forródó keverék, amelyet "azeotróp" keveréknek is neveznek, hatással van a kevésbé ideális keverékek (azeotrópok) frakcionált desztillációjára.
Ha a Raoult-törvényt pozitívan megszegjük, akkor gőznyomásgörbét készít, amelynek maximális értéke nem tiszta A vagy tiszta B.
Ha ezekben a keverékekben sok gőz van, akkor a forráspontjuk alacsony lesz.
A molekulák könnyen mozognak, és a frakcionált desztilláció önmagában nem elegendő a tiszta etanol előállításához, mert még lesz benne víz és egyéb szennyeződések.
A bonyolult elválasztás művészete: Az azeotróp desztilláció felfedezése
Még mindig nehéz megérteni és nehéz megérteni? Hadd változtassak egy kicsit a nézőponton:
Belefáradt a régi, unalmas desztillációs eljárásokba, amelyek csak szétválasztják a keverékeket anélkül, hogy extra ízt adnának? Szeretnéd a kelleténél nehezebbé és zavaróbbá tenni az elválasztási technikáidat? Nos, megvan a válaszom! Az azeotróp desztilláció olyan folyamat, amely egyszerű elválasztást igényel, és extra anyagok és oldószerek útvesztőjévé alakítja.
Miért használjunk csak egy dolgot a keverékek szétválasztására, ha kettőt vagy hármat is használhatunk? Ki akar egyszerű lenni, ha te is tudsz bonyolult lenni? Azeotróp desztilláció: Néha az alkatrészek tisztításának legjobb módja az, ha a folyamatot a lehető legbonyolítja.
Oké, ez csak egy vicc volt, TV-reklámnak álcázva. Most térjünk vissza a magyarázathoz.
Az azeotróp desztillációs eljárás
Az azeotróp desztillációnak számos előnye van a dolgok szétválasztásának más módjaival szemben, például, hogy mennyire könnyű szétválasztani az edényt és a kívánt terméket, milyen egyszerű a használata, milyen kevés energiát használ fel és milyen olcsó.
Az Entrainerek típusai
Azeotróp desztillációhoz háromféle hordozóanyag létezik: homogén, heterogén és extrakciós.
A homogén hordozók keveredhetnek a takarmány összes összetevőjével, de a heterogén hordozók két folyékony fázist képeznek, amelyek nem tudnak keveredni.
Az extrakciós hordozók nem képeznek azeotrópot a takarmány egyik összetevőjével sem.
Ehelyett csak a polárisabb vagy kevésbé poláris komponenseket távolítják el a polaritásuk alapján.
Homogén és heterogén azeotróp desztilláció
Az azeotróp desztillációnak két típusa létezik, ezeket homogénnek és heterogénnek nevezzük, amelyek attól függnek, hogy a hordozó hogyan lép kölcsönhatásba a takarmánykeverékkel.
A homogén azeotrop desztilláció könnyebben használható és hatékonyabb, mint a heterogén azeotróp desztilláció, mivel a hordozóanyag a takarmányban lévő összes komponenssel keveredhet.
A heterogén azeotróp desztilláció viszont olyan hordozót használ, amely nem tud keveredni a takarmánykeverék egyik részével sem.
Emiatt az oszlop kis nyomásváltozásokkal meghibásodhat, vagy a dekanter kis szivárgás esetén leállhat.
Tehát jobban befolyásolja a működés módja, mint a homogén azeotróp desztilláció.
Az azeotróp desztilláció korlátai
Az azeotróp desztillációnak vannak előnyei, de vannak problémái is.
Egyes oldatok desztillációval sem választhatók el, ha gőz-folyadék egyensúlyi állapotukban azeotrópok vannak.
Ezenkívül az azeotróp szer megválasztása nagy hatással lehet a folyamatra, és ha nem megfelelően kezelik, szennyezheti a környezetet.
Ezenkívül az azeotróp desztilláció használata még mindig sok energiát használ fel, és nem mindig biztosítja a céltermékekhez szükséges tisztasági szintet.
Az azeotróp desztilláció alkalmazásai
Az etanol dehidratálása
Az azeotróp desztilláció egyik legismertebb módja a víz eltávolítása etanol és víz keverékéből.
Az azeotróp keverék az utolsó oszlopba kerül, ahol az azeotróp desztilláció történik.
Régebben sokféle hordozót használtak erre, de a benzolt használták a legtöbbet, amíg kiderült, hogy rákot okoz.
A legtöbbször a ciklohexánt használják az etanol-víz azeotróp megbontására a modern tudományban.
Ez a folyamat nagyon fontos az üzemanyag-etanol iparban, ahol vizet kell kivonni az etanolból, hogy megakadályozzák a motorok tönkremenetelét és növeljék az etanol mennyiségét az üzemanyag-keverékekben.
Heterogén azeotróp desztilláció
Az ipari azeotróp desztillációs módszerek egy részhalmazának része a külön fázist létrehozó vivőanyag hozzáadása.
Az extrakciós desztillációhoz hasonlóan ezt a folyamatot, amelyben egy hordozóanyagot adnak hozzá, amely új fázist hoz létre, elszállításnak nevezik.
Ennek a módszernek a használatának elterjedt módja a benzol vízzel és etanollal való keverése, így egy új heterogén, alacsonyabb forráspontú azeotróp keletkezik, amely a szokásos módon elválasztható.
Ez a módszer különösen hasznos a szerves oldószerekben lévő szennyeződések eltávolítására, az illóolajok tisztítására és a szénhidrogének visszanyerésére.
Egyéb felhasználások
Az azeotróp desztillációt az etanol dehidratálásán és a heterogén azeotróp desztilláción kívül számos ipari felhasználásra használják, mint például:
- A közel azonos fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező izomerek azeotróp desztillációval választhatók szét.
- Az azeotróp desztillációt a gyógyszeriparban, a vegyiparban és a polimeriparban használják az oldószerek visszanyerésére a hulladékáramokból.
- A savas gázokat azeotróp desztillációnak nevezett eljárással vonják ki a földgázáramokból.
- Illóolajok szétválasztása: Azeotróp desztillációt alkalmaznak az illóolajok növényi anyagoktól való elkülönítésére és tisztítására.
- Víz eltávolítása az oldószerekből: Az azeotróp desztillációt a vegyiparban és a gyógyszeriparban használják a víz eltávolítására az oldószerekből.
Az azeotróp desztilláció kihívásai
Az azeotróp desztilláció jó módja az azeotróp keverékek szétválasztásának, de néhány kihívással jár, amelyeket meg kell küzdeni a legjobb eredmény elérése érdekében.
Entrainer kiválasztása:
Az AD folyamatok szintézisében és koncepcionális tervezésében nagyon fontos az átvivő kiválasztása, mert ez határozza meg az elválasztás sorrendjét.
Az edénynek erős azeotrópot kell képeznie a keverék egyik összetevőjével, és könnyen elválaszthatónak kell lennie a kívánt terméktől.
A hordozó megválasztása befolyásolja a termék minőségét és tisztaságát, és ha nem megfelelően használják, a környezetet is szennyezheti.
Excess Entrainer hatásai:
Túlzott mennyiségű hordozó hozzáadása az energiafelhasználás növekedéséhez vezethet, mivel a kiegészítő hordozót el kell választani a kívánt terméktől.
Ez növelheti a termék előállítási költségeit és ronthatja a minőségét.
Egyes esetekben a feleslegben lévő hordozóanyag egy harmadik azeotróp képződéséhez vezethet, ami megnehezítheti az elválasztási folyamatot.
Elégtelen Entrainer:
Ha túl kevés edényt használ, előfordulhat, hogy a termék nem válik szét teljesen, vagy nem lesz olyan tiszta.
Tehát az azeotróp desztillációnál a hordozó mennyiségét úgy kell optimalizálni, hogy a kívánt elválasztási és tisztasági szint a lehető legkisebb energia- és költségráfordítással érhető el.
Hogyan készülnek az azeotrópok:
Amikor egy hordozó megváltoztatja egy azeotróp keverék relatív illékonyságát, akkor maximum forráspontú vagy minimális forráspontú azeotrópot képez.
Egy hordozó hozzáadása tovább növelheti az azeotróp komponens tisztaságát.
De ha túl sok vagy túl kevés hordozót választ, az megváltoztathatja az elválasztási folyamat működését.
Az azeotróp pont után:
Az azeotróp keverék desztillálása azeotróp pontján túl lehetséges, de ez az eljárás alternatív költségigényes elválasztási technikákat, például nyomásingadozásos desztillációt alkalmaz.
Ahelyett, hogy az azeotróp ponton túl desztillálnánk, fontos megtalálni a megfelelő mennyiségű töltőanyagot a jó elválasztás érdekében.
Azeotrop desztilláció a gyakorlatban
Entrainers az azeotrop desztillációban
Mivel vízzel alacsony forráspontú azeotrópot képezhet, a benzolt gyakran használták hordozóanyagként az azeotróp desztillációjában.
A toluol azonban jobb, mint a benzol, mert a benzol rákot okozhat.
A hordozóanyag akkor működik jól, ha a takarmánykeverék egyik komponensével kombinálva új azeotrópot képez.
Ez megváltoztatja a komponensek relatív volatilitását, és lehetővé teszi azok elkülönítését.
Az edénynek könnyen leválaszthatónak kell lennie a kívánt terméktől, és desztillálással, dekantálással vagy más módszerrel visszaszerezheti.
Azeotróp desztillációnál a túl sok hordozó hatása az alkalmazott rendszertől függ.
Ha túl sok hordozóanyagot adunk hozzá, megnő a felhasznált energia mennyisége, mivel a felesleges hordozót el kell választani a kívánt terméktől.
Ez növelheti a termék előállítási költségeit és ronthatja a minőségét.
Néha a túl sok hordozó egy harmadik azeotróp képződését okozhatja, ami megnehezítheti az elválasztás folyamatát.
Másrészt, ha túl kevés edényt használ, előfordulhat, hogy a termék nem válik el teljesen, vagy nem lesz olyan tiszta.
Tehát a megfelelő mennyiségű edényt kell használni, hogy a lehető legkevesebb energiával és költséggel elérjük a szükséges elválasztási és tisztasági szintet.
A mélyeutektikus oldószerek (DES) egyre népszerűbbé válnak azeotróp desztilláció hordozóanyagaként, mivel jobbak a környezet számára, mint a hagyományos oldószerek.
Az azeotróp keverékek, mint a benzol-ciklohexán és az acetonitril-víz könnyen szétválaszthatók DES-szel.
A DES-t az "extraktív desztillációnak" nevezett technikában is lehet használni, amely hasonló a desztillációhoz, és oldószer hozzáadásával eltávolítható a betáplált keverékből.
Azeotróp desztilláció a gőzdesztillációhoz képest
Gőzdesztillációval a hőérzékeny anyagokat, mint a természetes aromás vegyületeket elválasztják a szerves anyagoktól.
Az azeotrop desztillációt viszont az azeotróp keverék részeinek elválasztására használják.
Az azeotróp keverékek a hagyományos desztillációval nehezen választhatók szét, mert forráspontjuk változatlan marad, gőzeik pedig megegyeznek a folyadékkeverékével.
Mivel a vízgőz desztillációt a hőre érzékeny anyagok elkülönítésére használják, nehéz megmondani, hogy mekkora a víz és a toluol azeotróp hőmérséklete.
A toluol és a víz viszont 84,1 °C-on azeotropot képez, amely 22,85% vízből és 77,15% toluolból áll.
Mivel egyetlen vegyületként működik, az ilyen összetételű toluol és víz keverékét egyszerű desztillációval nem lehet tovább elválasztani.
Ezt a keveréket elválaszthatja azeotróp desztillációval hordozóval vagy extrakciós desztillációval oldószerrel.
Videó: Azeotróp elmozdulása és szétválása
Tipp: Kapcsolja be a felirat gombot, ha szüksége van rá. Válassza az „automatikus fordítás” lehetőséget a beállítások gombban, ha nem ismeri az angol nyelvet. Előfordulhat, hogy először a videó nyelvére kell kattintania, mielőtt kedvenc nyelve elérhetővé válik a fordításhoz.
Használati esetek
| Használt: | Leírás: |
|---|---|
| Tisztítóvíz | Az azeotróp desztillációt gyakran használják a víz tisztítására, különösen a félvezető- és elektronikai iparban, ahol ultratiszta vízre van szükség. Az azeotróp desztillációval egy hordozó segítségével nagyon kevés szennyeződésű vizet lehet előállítani, ami érzékeny helyzetekben is használható. |
| Oldószer visszanyerése | Azeotróp desztillációt alkalmaznak az oldószerek reakcióelegyekből való elválasztására. Ez lehetővé teszi a drága vagy nehezen beszerezhető oldószerek visszanyerését és újbóli felhasználását. Például azeotróp desztillációval el lehet választani az etanolt a víztől, amely aztán felhasználható bioüzemanyagok előállítására vagy más ipari célokra. |
| Illóolaj kivonás | Az illóolajok növényekből való kinyerésének népszerű módja az azeotróp desztilláció. Az azeotróp lepárlással több illóolaj nyerhető ki a növényekből, mint a hagyományos gőzlepárlással. Ez azt jelenti, hogy az olajok jobb minőségűek és nagyobb hozamúak lesznek. |
| Polimer tisztítás | Az azeotróp desztilláció segítségével eltávolíthatók a polimerekből a szennyeződések, amelyek megváltoztathatják tulajdonságaikat vagy működésüket. Például azeotróp desztillációt lehet használni a polisztirol tisztítására azáltal, hogy megszabadulunk a maradék monomerektől és egyéb szennyeződésektől, amelyek megváltoztathatják a polimer működését. |
| Gyógyszergyártás | Az azeotróp desztillációt gyakran alkalmazzák a reakcióelegyek szétválasztására és tisztítására a gyógyszergyártás során. Például azeotróp desztilláció használható a reakcióelegyek elkülönítésére és tisztítására az antibiotikumok előállítása során, ami nagy tisztaságú termékeket eredményez. |
Következtetés
Összefoglalva, az azeotróp desztilláció hasznos módja a bonyolult keverékek tiszta részekre történő szétválasztásának.
Erőteljes eszköz a mérnökök és tudósok számára, mivel egyedülálló képessége a tiszta alkatrészek gyors elkészítésére.
De, mint minden elválasztási módszernek, ennek is megvannak a korlátai, és alaposan át kell gondolni a keverék összetételét, az edény kiválasztását és a folyamat körülményeit, hogy jól működjön.
Az azeotróp desztilláció lehetőségeinek kutatása során ne feledje, hogy ez a folyamat nemcsak technikai kihívás, hanem kreatív problémamegoldás és új ötletek lehetősége is.
Ha helyesen gondolkodik az azeotróp desztillációról, az új mérnöki felfedezésekhez és ötletekhez vezethet.
Tehát légy nyitott, és próbálj ki új dolgokat. Rengeteg lehetőség van.
Oszd meg…
