エンジニアまたは工学部の学生は、液体混合物を迅速かつ簡単に分離および精製する方法を常に探しています。
しかし、共沸蒸留については知らないかもしれません。
このプロセスは、混合物を分離するだけでなく、従来の蒸留法では困難な純粋な成分を作ることもできます。
共沸蒸留は複雑ですが興味深いプロセスであり、エンジニアリングおよび化学産業で非常に重要になっています。
この記事では、共沸蒸留のしくみと、その利点、欠点、および一般的な用途について説明します。
この知識があれば、分離技術を次のレベルに引き上げることができます。
共沸蒸留の紹介
正式な定義:
追加の物質または溶媒を使用して、液体混合物を純粋な成分に分離するプロセス。
共沸蒸留は、同じ温度で沸騰する部分の混合物である共沸混合物を作ることによって、混合物の部分を分離する方法です。
すべての部分に同じ量の蒸気と液体があるため、蒸留を使用してこの種の混合物を部分に分離することはできません。
一方、抽出蒸留は混合物を分離するのと同様の方法ですが、エントレーナーの代わりに溶媒を使用して混合物を分離します。
共沸蒸留
共沸蒸留では、エントレーナーを使用して混合物のさまざまな部分の揮発性を変化させ、それらを分離することができます。
成分の 1 つまたは複数をエントレーナーと組み合わせることにより、新しい共沸混合物が作られます。
この新しい共沸混合物は、分別蒸留によって元の混合物から分離できます。
共留剤は通常、他の部分と比較して沸点が低く、相対揮発性が高い混合物の一部です。
混合物が、沸点が最も低い共沸混合物である最小沸点共沸混合物を形成する場合、エントレーナーは元の混合物のより揮発性の部分と結合して共沸混合物を形成します。
この場合、エントレーナーを添加したときに形成される沸点の最も低い共沸混合物が最初に蒸発します。
これを留出物といいます。
そうでない場合、最高沸点の共沸混合物が共留剤と形成されると、元の混合物のより揮発性の高い部分が最初に蒸発します。
これにより、分別蒸留で元の混合物の部分を分離することが可能になります。
抽出蒸留
抽出蒸留では、各混合物は異なる分離溶媒を使用する必要があり、溶媒は共沸混合物を形成する傾向があってはなりません。
溶媒は、混合物の気液平衡を変化させ、部品の分離を可能にします。
抽出蒸留は、共沸蒸留では不可能な共沸混合物を形成する傾向がある混合物を分離するために使用できます。
定沸混合物
「共沸」混合物とも呼ばれる一定速度で沸騰する混合物は、理想的ではない混合物 (共沸混合物) の分別蒸留に影響を与えます。
Raoult の法則が肯定的に破られると、純粋な A または純粋な B ではない最大値を持つ蒸気圧曲線が作成されます。
これらの混合物に蒸気が多いと、沸点が低くなります。
分子は容易に移動し、分別蒸留だけでは純粋なエタノールを得るには不十分です。エタノールにはまだ水やその他の不純物が含まれているからです。
複雑な分離の芸術: 共沸蒸留の探求
まだ入手が難しく、理解するのが難しいですか？少し視点を変えてみましょう：
余分なセンスを追加せずに混合物を分離するだけの同じ古い退屈な蒸留プロセスにうんざりしていませんか? 分離テクニックを必要以上に難しく、混乱させたいですか? さて、私はあなたのための答えを持っています! 共沸蒸留は、単純な分離を行い、それを余分な物質と溶媒の迷路に変えるプロセスです。
2つまたは3つを使用できるのに、混合物を分離するために1つだけを使用するのはなぜですか? 複雑になれるのに、誰が単純になりたいですか? 共沸蒸留: 部品をクリーンアップする最善の方法は、プロセスをできるだけ複雑にすることです。
わかりました、それはテレビ コマーシャルを装った単なる冗談でした。では、説明に戻りましょう。
共沸蒸留プロセス
共沸蒸留には、エントレーナーと目的の生成物を分離するのがいかに簡単か、使用がいかに簡単か、使用するエネルギーがいかに少ないか、いかに安価であるかなど、物を分離する他の方法に比べて多くの利点があります。
エントレーナーの種類
共沸蒸留には、均質、不均質、および抽出の 3 種類のエントレーナーがあります。
同種のエントレーナーは飼料のすべての成分と混合できますが、異種のエントレーナーは混合できない 2 つの液相を形成します。
抽出共留剤は、飼料成分のいずれとも共沸混合物を作りません。
代わりに、極性に基づいて極性の高い成分または極性の低い成分のみを除去します。
均一および不均一な共沸蒸留
共沸蒸留には、共沸剤が供給混合物とどのように相互作用するかによって、均一蒸留と不均一蒸留と呼ばれる 2 種類があります。
均質共沸蒸留は、エントレーナーがフィード内のすべての成分と混合できるため、不均質共沸蒸留よりも使いやすく効率的です。
一方、不均一共沸蒸留では、供給混合物のどの部分とも混合できないエントレーナーを使用します。
これにより、圧力のわずかな変化でカラムが故障したり、わずかな漏れでデカンタが停止したりする可能性があります。
そのため、均一共沸蒸留よりも操作方法の影響を受けます。
共沸蒸留の限界
共沸蒸留にはいくつかの利点がありますが、いくつかの問題もあります。
共沸混合物が気液平衡状態にある場合、一部の溶液は蒸留によっても分離できません。
また、共沸剤の選択はプロセスに大きな影響を与える可能性があり、適切に取り扱わないと環境を汚染する可能性があります。
また、共沸蒸留を使用すると、依然として多くのエネルギーが使用され、目的の製品に必要なレベルの純度が常に得られるとは限りません。
共沸蒸留の応用
エタノールの脱水
共沸蒸留が使用される最もよく知られた方法の 1 つは、エタノールと水の混合物から水を除去することです。
共沸混合物は、共沸蒸留が行われる最後のカラムに送られます。
過去には、多くの異なるエントレーナーがこれに使用されていましたが、ベンゼンが癌を引き起こすことが判明するまで最も多く使用されていました.
ほとんどの場合、現代科学ではエタノールと水の共沸混合物を分解するためにシクロヘキサンが使用されています。
このプロセスは、エタノールから水を取り出してエンジンの故障を防ぎ、混合燃料中のエタノールの量を増やす必要がある燃料エタノール業界では非常に重要です。
不均一共沸蒸留
別の相を作るエントレーナーを追加することは、工業用共沸蒸留法のサブセットの一部です。
抽出蒸留と同様に、新しい相を作る共留剤を追加するこのプロセスは、共留と呼ばれます。
この方法を使用する一般的な方法は、ベンゼンを水とエタノールと混合して、通常の方法で分離できる低沸点の新しい不均一共沸混合物を作ることです。
この方法は、有機溶剤中の不純物の除去、エッセンシャル オイルの洗浄、および炭化水素の回収に特に役立ちます。
その他の用途
共沸蒸留には、エタノールの脱水や不均一共沸蒸留以外にも、次のようなさまざまな用途があります。
- 物理的および化学的性質がほぼ同じである異性体は、共沸蒸留を使用して分離できます。
- 共沸蒸留は、製薬、化学、ポリマー産業で廃棄物の流れから溶媒を回収するために使用されます。
- 酸性ガスは、共沸蒸留と呼ばれるプロセスを使用して、天然ガスの流れから取り出されます。
- エッセンシャル オイルの分離: 共沸蒸留は、植物からエッセンシャル オイルを分離して洗浄するために使用されます。
- 溶媒からの水の除去: 共沸蒸留は、化学および製薬業界で溶媒から水を除去するために使用されます。
共沸蒸留における課題
共沸蒸留は、共沸混合物を分離するための優れた方法ですが、最良の結果を得るために対処しなければならない課題がいくつかあります。
エントレーナーの選択:
AD プロセスの合成と概念設計において、エントレーナーの選択は分離の順序を決定するため、非常に重要です。
エントレーナーは、混合物の成分の 1 つと強力な共沸混合物を形成し、目的の製品から簡単に分離できなければなりません。
エントレーナーの選択は、製品の品質と純度に影響を与え、適切に使用しないと環境を汚染する可能性もあります。
過剰エントレーナーの効果:
追加の添加剤は目的の製品から分離する必要があるため、余分な量の添加剤を追加すると、エネルギー消費が増加する可能性があります。
これにより、製品の製造コストが上昇し、品質が低下する可能性もあります。
場合によっては、エントレーナーが過剰になると、3 番目の共沸混合物が形成され、分離プロセスが複雑になることがあります。
不十分なエントレーナー:
エントレーナーの使用量が少なすぎると、製品が完全に分離されなかったり、純粋でなくなったりする可能性があります。
そのため、共沸蒸留では、必要なレベルの分離と純度を最小限のエネルギーとコストで達成できるように、エントレーナーの量を最適化する必要があります。
共沸混合物の製造方法:
エントレーナーが共沸混合物の相対揮発性を変化させると、最大沸点または最小沸点の共沸混合物が形成されます。
エントレーナーを添加すると、共沸成分の純度をさらに高めることができます。
しかし、エントレーナーの選択が多すぎたり少なすぎたりすると、分離プロセスの機能が変化する可能性があります.
共沸点の後:
共沸点を超えて共沸混合物を蒸留することは可能ですが、このプロセスでは、圧力スイング蒸留などのコストのかかる別の分離技術が使用されます。
共沸点を超えて蒸留しようとする代わりに、良好な分離を得るために適切な量の共留剤を見つけることが重要です。
実際の共沸蒸留
共沸蒸留におけるエントレーナー
ベンゼンは水と低沸点の共沸混合物を形成できるため、共沸蒸留の共沸剤としてよく使用されました。
ただし、ベンゼンは癌を引き起こす可能性があるため、トルエンはベンゼンよりも優れています.
エントレーナーは、飼料混合物中の成分の 1 つと結合して新しい共沸混合物を作ることができれば、うまく機能します。
これにより、成分の相対揮発性が変化し、それらを分離できるようになります。
エントレーナーは、目的の製品から簡単に分離できる必要があり、蒸留、デカント、またはその他の方法で元に戻すことができます.
共沸蒸留では、共留剤が多すぎる場合の影響は、使用するシステムによって異なります。
エントレーナーを追加しすぎると、余分なエントレーナーを目的の製品から分離する必要があるため、使用されるエネルギーの量が増加します。
これにより、製品の製造コストが上昇し、品質が低下する可能性もあります。
場合によっては、共留剤が多すぎると、3 番目の共沸混合物が形成され、分離プロセスがより困難になることがあります。
一方、エントレーナーの使用量が少なすぎると、製品が完全に分離されなかったり、純粋でなくなったりする可能性があります。
したがって、最小限のエネルギーとコストで必要なレベルの分離と純度を得るには、適切な量のエントレーナーを使用する必要があります。
深共晶溶媒 (DES) は、従来の溶媒よりも環境に優れているため、共沸蒸留のエントレーナーとして人気が高まっています。
ベンゼン-シクロヘキサンやアセトニトリル-水のような共沸混合物は、DES で簡単に分離できます。
DES は、「抽出蒸留」と呼ばれる技術でも使用できます。これは蒸留に似ており、溶媒を加えて供給混合物の一部を取り出すことを含みます。
水蒸気蒸留と比較した共沸蒸留
水蒸気蒸留では、天然芳香族化合物のような熱に弱い物質が有機物質から分離されます。
一方、共沸蒸留は、共沸混合物の部分を分離するために使用されます。
共沸混合物は、沸点が同じままで蒸気が液体混合物と同じであるため、従来の蒸留では分離が困難です。
水蒸気蒸留は熱に弱い物質を分離するために使用されるため、水とトルエンの共沸温度がどのくらいかはわかりません。
一方、トルエンと水は、22.85% の水と 77.15wt% のトルエンで構成される 84.1°C で共沸混合物を形成します。
それは単一の化合物のように作用するため、この構成のトルエンと水の混合物は、単純な蒸留によってさらに分離することはできません。
この混合物は、エントレーナーを使用した共沸蒸留または溶媒を使用した抽出蒸留を使用して分離できます。
ビデオ: 共沸置換と分離
ヒント: 必要に応じてキャプション ボタンをオンにします。英語に慣れていない場合は、設定ボタンで「自動翻訳」を選択してください。お気に入りの言語が翻訳可能になる前に、まずビデオの言語をクリックする必要がある場合があります。
ユースケース
| で使われる： | 説明： |
|---|---|
| 洗浄水 | 共沸蒸留は、特に超純水が必要な半導体および電子産業で、水をきれいにするためによく使用されます。エントレーナーの助けを借りて、共沸蒸留は、敏感な状況で使用できる不純物が非常に少ない水を作ることができます. |
| 溶媒回収 | 共沸蒸留は、反応混合物から溶媒を分離するために使用されます。これにより、高価な溶媒や見つけにくい溶媒を回収して再利用することができます。たとえば、共沸蒸留を使用して水からエタノールを分離し、バイオ燃料の製造やその他の工業目的に使用できます。 |
| エッセンシャルオイルの抽出 | 植物からエッセンシャル オイルを得る一般的な方法は、共沸蒸留を使用することです。エントレーナーを使用する共沸蒸留では、従来の水蒸気蒸留よりも多くのエッセンシャル オイルを植物から取り出すことができます。これは、油の品質が高くなり、収穫量が増えることを意味します。 |
| ポリマー精製 | 共沸蒸留は、ポリマーの特性や機能を変える可能性のある不純物をポリマーから除去するために使用できます。たとえば、共沸蒸留を使用して、ポリマーの働きを変える可能性のある残りのモノマーやその他の不純物を取り除くことにより、ポリスチレンをきれいにすることができます。 |
| 医薬品製造 | 共沸蒸留は、医薬品の製造中に反応混合物を分離および洗浄するためによく使用されます。たとえば、共沸蒸留は、抗生物質の製造において反応混合物を分離および洗浄するために使用でき、高純度の製品が得られます。 |
結論
結論として、共沸蒸留は、複雑な混合物を純粋な部分に分離するための便利な方法です。
純粋なコンポーネントをすばやく作成できる独自の機能により、エンジニアや科学者にとって強力なツールです。
しかし、他の分離方法と同様に、それにも限界があり、混合物の組成、エントレーナーの選択、およびうまく機能させるためのプロセス条件について慎重に検討する必要があります。
共沸蒸留の可能性を検討し続けるとき、このプロセスは技術的な課題であるだけでなく、創造的な問題解決と新しいアイデアの機会でもあることを覚えておいてください.
共沸蒸留について正しく考えると、新しい工学的発見やアイデアにつながる可能性があります。
ですから、心を開いて、新しいことに挑戦してください。多くのオプションがあります。
共有…
