In qualità di ingegnere o studente di ingegneria, sei sempre alla ricerca di modi per separare e purificare miscele liquide che siano facili e veloci.
Ma potresti non sapere della distillazione azeotropica.
Questo processo non solo separa le miscele, ma può anche produrre componenti puri, cosa difficile da fare con i metodi di distillazione tradizionali.
La distillazione azeotropica è un processo complicato ma interessante che è diventato molto importante nell'industria meccanica e chimica.
In questo articolo spiegherò come funziona la distillazione azeotropica, nonché i suoi vantaggi, svantaggi e usi comuni.
Con questa conoscenza, sarai in grado di portare le tue tecniche di separazione al livello successivo.
Introduzione alla distillazione azeotropica
Definizione formale:
Un processo mediante il quale una miscela liquida viene separata in componenti puri con l'aiuto di una sostanza aggiuntiva o solvente.
La distillazione azeotropica è un modo per separare le parti di una miscela creando un azeotropo, che è una miscela delle parti che bolle alla stessa temperatura.
La distillazione non può essere utilizzata per separare questo tipo di miscela nelle sue parti perché tutte le parti hanno la stessa quantità di vapore e liquido.
La distillazione estrattiva, d'altra parte, è un modo simile per separare le miscele, ma invece di un trascinatore, utilizza un solvente per separare le miscele.
Distillazione azeotropica
Nella distillazione azeotropica, un trascinatore viene utilizzato per modificare la volatilità delle diverse parti della miscela, il che rende possibile separarle.
Combinando uno o più componenti con il trascinatore, viene creato un nuovo azeotropo.
Questo nuovo azeotropo può essere separato dalla miscela originale mediante distillazione frazionata.
Il trascinatore è solitamente una parte della miscela che ha un basso punto di ebollizione e un'elevata volatilità relativa rispetto alle altre parti.
Se la miscela forma un azeotropo minimo bollente, che è l'azeotropo con il punto di ebollizione più basso, il trascinatore si combinerà con la parte più volatile della miscela originale per formare un azeotropo.
In questo caso, l'azeotropo con il punto di ebollizione più basso che si forma quando viene aggiunto il trascinatore evapora per primo.
Questo è chiamato il distillato.
In caso contrario, se con il trascinatore si forma un azeotropo con punto di ebollizione massimo, la parte più volatile della miscela originale evaporerà per prima.
Ciò rende possibile la distillazione frazionata per separare le parti della miscela originale.
Distillazione estrattiva
Nella distillazione estrattiva, ogni miscela deve utilizzare un diverso solvente di separazione e i solventi non devono tendere a formare un azeotropo.
Il solvente modifica l'equilibrio vapore-liquido della miscela, il che rende possibile la separazione delle parti.
La distillazione estrattiva può essere utilizzata per separare miscele che tendono a formare azeotropi, cosa non possibile con la distillazione azeotropica.
Miscele a ebollizione costante
Una miscela che bolle a velocità costante, chiamata anche miscela "azeotropica", ha effetti sulla distillazione frazionata di miscele non ideali (azeotropi).
Se la legge di Raoult viene infranta in modo positivo, crea una curva di tensione di vapore con un valore massimo che non è A puro o B puro.
Se queste miscele hanno molto vapore, i loro punti di ebollizione saranno bassi.
Le molecole si muovono facilmente e la distillazione frazionata da sola non è sufficiente per ottenere etanolo puro perché avrà ancora acqua e altre impurità.
L'arte delle separazioni complicate: esplorazione della distillazione azeotropica
Ancora difficile da ottenere e difficile da capire? Permettimi di cambiare un po' il punto di vista:
Sei stanco degli stessi vecchi noiosi processi di distillazione che si limitano a separare le miscele senza aggiungere alcun tocco in più? Vuoi rendere le tue tecniche di separazione più difficili e confuse di quanto dovrebbero essere? Bene, ho la risposta per te! La distillazione azeotropica è un processo che prende una semplice separazione e la trasforma in un labirinto di sostanze e solventi aggiuntivi.
Perché usare solo una cosa per separare le miscele quando puoi usarne due o tre? Chi vuole essere semplice quando puoi essere complicato? Distillazione azeotropica: a volte, il modo migliore per ripulire le parti è rendere il processo il più complicato possibile.
OK, quello era solo uno scherzo travestito da spot televisivo. Ora torniamo alla spiegazione.
Il processo di distillazione azeotropica
La distillazione azeotropica ha molti vantaggi rispetto ad altri modi per separare le cose, come quanto sia facile separare il trascinatore e il prodotto che desideri, quanto sia facile da usare, quanta poca energia usi e quanto sia economico.
Tipi di trascinatori
Per la distillazione azeotropica, esistono tre tipi di trascinatori: omogeneo, eterogeneo ed estrattivo.
I trascinatori omogenei possono mescolarsi con tutti i componenti del mangime, ma i trascinatori eterogenei formano due fasi liquide che non possono mescolarsi.
I trascinatori estrattivi non formano un azeotropo con nessuno dei componenti del mangime.
Invece, rimuovono solo i componenti più polari o meno polari in base alla loro polarità.
Distillazione azeotropica omogenea ed eterogenea
Esistono due tipi di distillazione azeotropica, detta omogenea ed eterogenea, che dipendono da come il trascinatore interagisce con la miscela di alimentazione.
La distillazione azeotropica omogenea è più facile da usare e più efficiente della distillazione azeotropica eterogenea perché il trascinatore può mescolarsi con tutti i componenti del mangime.
La distillazione azeotropica eterogenea, invece, utilizza un trascinatore che non può mescolarsi con nessuna delle parti della miscela di alimentazione.
Ciò può causare il guasto della colonna con piccoli cambiamenti di pressione o l'arresto del decanter con piccole perdite.
Quindi, è più influenzato dal modo in cui viene eseguito rispetto alla distillazione azeotropica omogenea.
Limitazioni della distillazione azeotropica
La distillazione azeotropica presenta alcuni vantaggi, ma presenta anche alcuni problemi.
Alcune soluzioni non possono essere separate anche per distillazione se hanno azeotropi nei loro stati di equilibrio vapore-liquido.
Inoltre, la scelta dell'agente azeotropico può avere un grande effetto sul processo e, se non gestita correttamente, può inquinare l'ambiente.
Inoltre, l'utilizzo della distillazione azeotropica utilizza ancora molta energia e potrebbe non produrre sempre il livello di purezza necessario per i prodotti target.
Applicazioni della distillazione azeotropica
Disidratazione dell'etanolo
Uno dei modi più noti in cui viene utilizzata la distillazione azeotropica è rimuovere l'acqua dalle miscele di etanolo e acqua.
La miscela azeotropica va all'ultima colonna, dove avviene la distillazione azeotropica.
In passato, per questo venivano usati molti agenti di trascinamento diversi, ma il benzene era quello più utilizzato fino a quando non si scoprì che causava il cancro.
Il più delle volte, il cicloesano viene utilizzato per rompere l'azeotropo etanolo-acqua nella scienza moderna.
Questo processo è molto importante nell'industria dell'etanolo combustibile, dove l'acqua deve essere estratta dall'etanolo per evitare che i motori si rompano e per aumentare la quantità di etanolo nelle miscele di carburante.
Distillazione azeotropica eterogenea
L'aggiunta di un trascinatore che crea una fase separata fa parte di un sottoinsieme di metodi di distillazione azeotropica industriale.
Simile alla distillazione estrattiva, questo processo di aggiunta di un trascinatore che crea una nuova fase è chiamato trascinamento.
Un modo comune per utilizzare questo metodo è mescolare benzene con acqua ed etanolo per creare un nuovo azeotropo eterogeneo con un punto di ebollizione inferiore che può essere separato nel solito modo.
Questo metodo è particolarmente utile per eliminare le impurità nei solventi organici, pulire gli oli essenziali e recuperare gli idrocarburi.
Altri usi
La distillazione azeotropica ha una serie di usi nell'industria oltre alla disidratazione dell'etanolo e alla distillazione azeotropica eterogenea, come ad esempio:
- Gli isomeri, che hanno quasi le stesse proprietà fisiche e chimiche, possono essere separati mediante distillazione azeotropica.
- La distillazione azeotropica viene utilizzata nell'industria farmaceutica, chimica e dei polimeri per recuperare i solventi dai flussi di rifiuti.
- I gas acidi vengono estratti dai flussi di gas naturale utilizzando un processo chiamato distillazione azeotropica.
- Separazione degli oli essenziali: la distillazione azeotropica viene utilizzata per separare e pulire gli oli essenziali dalla materia vegetale.
- Rimozione dell'acqua dai solventi: la distillazione azeotropica viene utilizzata nell'industria chimica e farmaceutica per rimuovere l'acqua dai solventi.
Sfide nella distillazione azeotropica
La distillazione azeotropica è un buon modo per separare le miscele azeotropiche, ma comporta alcune sfide che devono essere affrontate per ottenere i migliori risultati.
Selezione del trascinatore:
Nella sintesi e progettazione concettuale dei processi AD, la scelta di un trascinatore è molto importante perché determina l'ordine di separazione.
Il trascinatore deve formare un forte azeotropo con uno dei componenti della miscela ed essere facilmente separabile dal prodotto desiderato.
La scelta del trascinatore influisce sulla qualità e sulla purezza del prodotto e, se non utilizzato correttamente, può anche inquinare l'ambiente.
Effetti del trascinatore in eccesso:
L'aggiunta di una quantità eccessiva di trascinatore può causare un aumento del consumo di energia, in quanto il trascinatore aggiuntivo deve essere separato dal prodotto desiderato.
Ciò può aumentare il costo di realizzazione del prodotto e può anche ridurne la qualità.
In alcuni casi, un eccesso di trascinatore può portare alla formazione di un terzo azeotropo, che può complicare il processo di separazione.
Entrainer insufficiente:
Se usi troppo poco trascinatore, il prodotto potrebbe non essere completamente separato o potrebbe non essere così puro.
Quindi, nella distillazione azeotropica, la quantità di trascinatore dovrebbe essere ottimizzata in modo che il livello desiderato di separazione e purezza possa essere raggiunto con la minima quantità di energia e costi.
Come sono fatti gli azeotropi:
Quando un trascinatore modifica la volatilità relativa di una miscela azeotropica, forma un azeotropo di ebollizione massima o di ebollizione minima.
L'aggiunta di un trascinatore può migliorare ulteriormente la purezza di un componente azeotropico.
Ma se scegli troppo o troppo poco trascinatore, può cambiare il modo in cui funziona il processo di separazione.
Dopo il punto azeotropico:
È possibile distillare una miscela azeotropica oltre il suo punto azeotropico, ma questo processo utilizza tecniche di separazione costose alternative come la distillazione a pressione variabile.
Invece di provare a distillare oltre il punto azeotropico, è importante trovare la giusta quantità di trascinatore per ottenere una buona separazione.
Distillazione azeotropica in pratica
Entrainers nella distillazione azeotropica
Poiché può formare un azeotropo bassobollente con l'acqua, il benzene veniva spesso usato come trascinatore nella distillazione azeotropica.
Il toluene è meglio del benzene, però, perché il benzene può causare il cancro.
Un trascinatore funziona bene se può combinarsi con uno dei componenti nella miscela di mangime per creare un nuovo azeotropo.
Ciò modifica la volatilità relativa dei componenti e consente di separarli.
Il trascinatore dovrebbe essere facile da separare dal prodotto che desideri e puoi recuperarlo distillando, decantando o qualche altro metodo.
Nella distillazione azeotropica, l'effetto di una quantità eccessiva di trascinatore dipende dal sistema utilizzato.
Quando viene aggiunto troppo trascinatore, la quantità di energia utilizzata aumenta perché il trascinatore in più deve essere separato dal prodotto desiderato.
Ciò può aumentare il costo di realizzazione del prodotto e può anche ridurne la qualità.
A volte, troppo trascinatore può causare la formazione di un terzo azeotropo, il che può rendere più difficile il processo di separazione.
D'altra parte, se si utilizza una quantità insufficiente di trascinatore, il prodotto potrebbe non essere completamente separato o potrebbe non essere altrettanto puro.
Pertanto, dovrebbe essere utilizzata la giusta quantità di trascinatore per ottenere il livello di separazione e purezza necessari con la minima quantità di energia e costi.
I solventi eutettici profondi (DES) stanno diventando sempre più popolari come trascinatori nella distillazione azeotropica perché sono migliori per l'ambiente rispetto ai solventi tradizionali.
Le miscele azeotropiche come il benzene-cicloesano e l'acetonitrile-acqua sono facili da separare con DES.
Il DES può anche essere utilizzato in una tecnica chiamata "distillazione estrattiva", che è simile alla distillazione e prevede l'aggiunta di un solvente per estrarre una delle parti della miscela di alimentazione.
Distillazione azeotropica rispetto alla distillazione a vapore
Con la distillazione a vapore, i materiali sensibili al calore come i composti aromatici naturali vengono separati dai materiali organici.
La distillazione azeotropica, invece, viene utilizzata per separare le parti di una miscela azeotropica.
Le miscele che sono azeotropiche sono difficili da separare con la distillazione tradizionale perché i loro punti di ebollizione rimangono gli stessi ei vapori sono gli stessi della miscela liquida.
Poiché la distillazione a vapore viene utilizzata per separare materiali sensibili al calore, è difficile stabilire quale sia la temperatura azeotropica dell'acqua e del toluene.
Il toluene e l'acqua, d'altra parte, formano un azeotropo a 84,1°C costituito dal 22,85% di acqua e dal 77,15% in peso di toluene.
Poiché agisce come un unico composto, una miscela di toluene e acqua con questa composizione non può essere ulteriormente separata mediante semplice distillazione.
È possibile separare questa miscela utilizzando la distillazione azeotropica con un trascinatore o la distillazione estrattiva con un solvente.
Video: spostamento e separazione degli azeotropi
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Casi d'uso
| Usato in: | Descrizione: |
|---|---|
| Acqua di pulizia | La distillazione azeotropica viene spesso utilizzata per pulire l'acqua, specialmente nelle industrie dei semiconduttori e dell'elettronica dove è necessaria acqua ultrapura. Con l'aiuto di un trascinatore, la distillazione azeotropica può produrre acqua con pochissime impurità che possono essere utilizzate in situazioni sensibili. |
| Recupero del solvente | La distillazione azeotropica viene utilizzata per separare i solventi dalle miscele di reazione. Ciò consente di recuperare e riutilizzare solventi costosi o difficili da trovare. Ad esempio, la distillazione azeotropica può essere utilizzata per separare l'etanolo dall'acqua, che può quindi essere utilizzata per produrre biocarburanti o per altri scopi industriali. |
| Estrazione dell'olio essenziale | Un modo popolare per ottenere oli essenziali dalle piante è usare la distillazione azeotropica. Utilizzando un trascinatore, la distillazione azeotropica può ottenere più oli essenziali dalle piante rispetto alla tradizionale distillazione a vapore. Ciò significa che gli oli saranno di qualità superiore e produrranno di più. |
| Purificazione del polimero | La distillazione azeotropica può essere utilizzata per rimuovere le impurità dai polimeri che potrebbero modificarne le proprietà o il loro funzionamento. Ad esempio, la distillazione azeotropica può essere utilizzata per pulire il polistirene eliminando eventuali monomeri rimanenti e altre impurità che potrebbero modificare il modo in cui funziona il polimero. |
| Produzione farmaceutica | La distillazione azeotropica viene spesso utilizzata per separare e pulire le miscele di reazione durante la produzione di prodotti farmaceutici. Ad esempio, la distillazione azeotropica può essere utilizzata per separare e pulire le miscele di reazione nella produzione di antibiotici, ottenendo prodotti di elevata purezza. |
Conclusione
In conclusione, la distillazione azeotropica è un modo utile per separare miscele complicate nelle loro parti pure.
È uno strumento potente per ingegneri e scienziati grazie alla sua capacità unica di realizzare rapidamente componenti puri.
Ma, come ogni metodo di separazione, ha i suoi limiti e necessita di un'attenta riflessione sulla composizione della miscela, sulla scelta del trascinatore e sulle condizioni del processo per funzionare bene.
Mentre continui a esaminare le possibilità della distillazione azeotropica, tieni presente che questo processo non è solo una sfida tecnica, ma anche un'opportunità per la risoluzione di problemi creativi e nuove idee.
Se pensi alla distillazione azeotropica nel modo giusto, può portare a nuove scoperte e idee ingegneristiche.
Quindi mantieni una mente aperta e prova cose nuove. Ci sono tante opzioni.
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