Als ingenieur of ingenieursstudent ben je altijd op zoek naar manieren om snel en eenvoudig vloeibare mengsels te scheiden en te zuiveren.
Maar misschien weet u niets van azeotrope destillatie.
Dit proces scheidt niet alleen mengsels, maar het kan ook pure componenten maken, wat moeilijk te doen is met traditionele destillatiemethoden.
Azeotropische destillatie is een gecompliceerd maar interessant proces dat erg belangrijk is geworden in de technische en chemische industrie.
In dit artikel zal ik uitleggen hoe azeotrope destillatie werkt, evenals de voordelen, nadelen en algemeen gebruik.
Met deze kennis kunt u uw scheidingstechnieken naar een hoger niveau tillen.
Inleiding tot azeotropische destillatie
Formele definitie:
Een proces waarbij een vloeibaar mengsel wordt gescheiden in zuivere componenten met behulp van een extra stof of oplosmiddel.
Azeotrope destillatie is een manier om de delen van een mengsel te scheiden door een azeotroop te maken, een mengsel van de delen dat bij dezelfde temperatuur kookt.
Destillatie kan niet worden gebruikt om dit soort mengsel in zijn delen te scheiden, omdat alle delen dezelfde hoeveelheid damp en vloeistof bevatten.
Extractieve destillatie daarentegen is een vergelijkbare manier om mengsels te scheiden, maar in plaats van een entrainer gebruikt het een oplosmiddel om de mengsels te scheiden.
Azeotrope destillatie
Bij azeotrope destillatie wordt een entrainer gebruikt om de vluchtigheid van de verschillende delen van het mengsel te veranderen, waardoor ze gescheiden kunnen worden.
Door een of meer van de componenten te combineren met de entrainer, wordt een nieuwe azeotroop gemaakt.
Deze nieuwe azeotroop kan door gefractioneerde destillatie van het oorspronkelijke mengsel worden gescheiden.
Het entrainer is meestal een deel van het mengsel dat een laag kookpunt en een hoge relatieve vluchtigheid heeft in vergelijking met de andere delen.
Als het mengsel een azeotroop met minimaal kookpunt vormt, wat de azeotroop met het laagste kookpunt is, zal het meesleepmiddel zich combineren met het meer vluchtige deel van het oorspronkelijke mengsel om een azeotroop te vormen.
In dit geval verdampt eerst de azeotroop met het laagste kookpunt die ontstaat wanneer het entrainer wordt toegevoegd.
Dit wordt het destillaat genoemd.
Zo niet, als zich een azeotroop met maximaal kookpunt vormt met het entrainer, zal het meest vluchtige deel van het oorspronkelijke mengsel als eerste verdampen.
Dit maakt gefractioneerde destillatie mogelijk om de delen van het oorspronkelijke mengsel te scheiden.
Extractieve destillatie
Bij extractieve destillatie moet elk mengsel een ander scheidingsoplosmiddel gebruiken en mogen de oplosmiddelen niet de neiging hebben om een azeotroop te vormen.
Het oplosmiddel verandert het damp-vloeistofevenwicht van het mengsel, waardoor het mogelijk wordt de delen te scheiden.
Extractieve destillatie kan worden gebruikt om mengsels te scheiden die de neiging hebben om azeotropen te vormen, wat niet mogelijk is met azeotrope destillatie.
Constant kokende mengsels
Een mengsel dat met een constante snelheid kookt, ook wel een "azeotroop" mengsel genoemd, heeft effecten op gefractioneerde destillatie van niet-ideale mengsels (azeotropen).
Als de wet van Raoult op een positieve manier wordt overtreden, maakt het een dampspanningscurve met een maximale waarde die niet puur A of puur B is.
Als deze mengsels veel stoom bevatten, zullen hun kookpunten laag zijn.
De moleculen bewegen gemakkelijk en gefractioneerde destillatie alleen is niet voldoende om pure ethanol te krijgen, omdat er nog steeds water en andere onzuiverheden in zitten.
De kunst van gecompliceerde scheidingen: onderzoek naar azeotropische destillatie
Nog steeds moeilijk te begrijpen en moeilijk te begrijpen? Laat me het standpunt een beetje veranderen:
Ben je moe van dezelfde oude saaie destillatieprocessen die alleen maar mengsels scheiden zonder extra flair toe te voegen? Wilt u uw scheidingstechnieken moeilijker en verwarrender maken dan nodig is? Nou, ik heb het antwoord voor je! Azeotrope destillatie is een proces dat een eenvoudige scheiding vereist en er een doolhof van extra stoffen en oplosmiddelen van maakt.
Waarom slechts één ding gebruiken om mengsels te scheiden als je er twee of drie kunt gebruiken? Wie wil er simpel zijn als je ingewikkeld kunt zijn? Azeotropische destillatie: soms is de beste manier om uw onderdelen op te ruimen, het proces zo ingewikkeld mogelijk te maken.
Oké, dat was maar een grap vermomd als tv-commercial. Laten we nu teruggaan naar de uitleg.
Het Azeotropische destillatieproces
Azeotropische destillatie heeft veel voordelen ten opzichte van andere manieren om dingen te scheiden, zoals hoe gemakkelijk het is om de entrainer en het gewenste product van elkaar te scheiden, hoe gemakkelijk het te gebruiken is, hoe weinig energie het gebruikt en hoe goedkoop het is.
Soorten entrainers
Voor azeotrope destillatie zijn er drie soorten meesleepmiddelen: homogeen, heterogeen en extractief.
Homogene entrainers kunnen zich mengen met alle voercomponenten, maar heterogene entrainers vormen twee vloeibare fasen die zich niet kunnen mengen.
Extractieve meesleepmiddelen vormen met geen van de voercomponenten een azeotroop.
In plaats daarvan verwijderen ze alleen de meer polaire of minder polaire componenten op basis van hun polariteit.
Homogene en heterogene azeotropische destillatie
Er zijn twee soorten azeotrope destillatie, homogeen en heterogeen genoemd, die afhangen van hoe het entrainer in wisselwerking staat met het voermengsel.
Homogene azeotrope destillatie is gemakkelijker in gebruik en efficiënter dan heterogene azeotrope destillatie omdat het entrainer zich kan mengen met alle componenten in de voeding.
Bij heterogene azeotrope destillatie wordt daarentegen een entrainer gebruikt die zich met geen van de delen van het voedingsmengsel kan vermengen.
Dit kan ervoor zorgen dat de kolom uitvalt bij kleine drukveranderingen of dat de decanter stopt bij kleine lekkages.
Het wordt dus meer beïnvloed door hoe het wordt uitgevoerd dan homogene azeotrope destillatie.
Beperkingen van azeotropische destillatie
Azeotrope destillatie heeft enkele voordelen, maar heeft ook enkele problemen.
Sommige oplossingen kunnen ook niet door destillatie worden gescheiden als ze azeotropen hebben in hun damp-vloeistof-evenwichtstoestanden.
Ook kan de keuze van het azeotropische middel een groot effect hebben op het proces en, als het niet op de juiste manier wordt gehanteerd, het milieu vervuilen.
Ook kost het gebruik van azeotropische destillatie nog steeds veel energie en levert het niet altijd het zuiverheidsniveau op dat nodig is voor de doelproducten.
Toepassingen van Azeotropische destillatie
Uitdroging van ethanol
Een van de meest bekende manieren waarop azeotrope destillatie wordt gebruikt, is het verwijderen van water uit mengsels van ethanol en water.
Het azeotrope mengsel gaat naar de laatste kolom, waar azeotrope destillatie plaatsvindt.
In het verleden werden hiervoor veel verschillende entrainers gebruikt, maar benzeen werd het meest gebruikt totdat bleek dat het kanker veroorzaakte.
Meestal wordt cyclohexaan gebruikt om de ethanol-water-azeotroop in de moderne wetenschap te breken.
Dit proces is erg belangrijk in de brandstof-ethanolindustrie, waar water uit ethanol moet worden gehaald om te voorkomen dat motoren kapot gaan en om de hoeveelheid ethanol in brandstofmengsels te vergroten.
Heterogene Azeotropische destillatie
Het toevoegen van een entrainer die een aparte fase maakt, maakt deel uit van een subset van industriële azeotrope destillatiemethoden.
Vergelijkbaar met extractieve destillatie, wordt dit proces van het toevoegen van een entrainer die een nieuwe fase maakt, entrainment genoemd.
Een gebruikelijke manier om deze methode te gebruiken, is door benzeen te mengen met water en ethanol om een nieuwe heterogene azeotroop te maken met een lager kookpunt die op de gebruikelijke manier kan worden gescheiden.
Deze methode is vooral handig om onzuiverheden in organische oplosmiddelen te verwijderen, etherische oliën te reinigen en koolwaterstoffen terug te krijgen.
Andere gebruiken
Azeotrope destillatie heeft een aantal toepassingen in de industrie naast dehydratie van ethanol en heterogene azeotrope destillatie, zoals:
- Isomeren, die bijna dezelfde fysische en chemische eigenschappen hebben, kunnen worden gescheiden met behulp van azeotrope destillatie.
- Azeotrope destillatie wordt gebruikt in de farmaceutische, chemische en polymeerindustrie om oplosmiddelen terug te halen uit afvalstromen.
- Zure gassen worden uit aardgasstromen gehaald met behulp van een proces dat azeotrope destillatie wordt genoemd.
- Scheiding van etherische oliën: Azeotropische destillatie wordt gebruikt om etherische oliën van plantaardig materiaal te scheiden en te reinigen.
- Verwijdering van water uit oplosmiddelen: Azeotropische destillatie wordt in de chemische en farmaceutische industrie gebruikt om water uit oplosmiddelen te verwijderen.
Uitdagingen bij azeotropische destillatie
Azeotrope destillatie is een goede manier om azeotrope mengsels te scheiden, maar het brengt enkele uitdagingen met zich mee die moeten worden aangepakt om de beste resultaten te krijgen.
Entrainer-selectie:
Bij de synthese en het conceptuele ontwerp van AD-processen is de keuze van een entrainer erg belangrijk omdat deze de volgorde van scheiding bepaalt.
Het entrainer moet een sterke azeotroop vormen met een van de componenten van het mengsel en gemakkelijk te scheiden zijn van het gewenste product.
De keuze van het entrainer heeft invloed op de kwaliteit en zuiverheid van het product en kan bij ondeskundig gebruik ook het milieu vervuilen.
Effecten van overtollige Entrainer:
Het toevoegen van een teveel aan entrainer kan leiden tot een toename van het energieverbruik, aangezien de extra entrainer gescheiden moet worden van het gewenste product.
Dit kan de productiekosten van het product verhogen en kan ook de kwaliteit verminderen.
In sommige gevallen kan een teveel aan entrainer leiden tot de vorming van een derde azeotroop, wat het scheidingsproces kan bemoeilijken.
Onvoldoende entrainer:
Als u te weinig entrainer gebruikt, wordt het product mogelijk niet volledig gescheiden of is het niet zo zuiver.
Dus bij azeotrope destillatie moet de hoeveelheid entrainer worden geoptimaliseerd, zodat het gewenste niveau van scheiding en zuiverheid kan worden bereikt met de minste hoeveelheid energie en kosten.
Hoe Azeotropen worden gemaakt:
Wanneer een entrainer de relatieve vluchtigheid van een azeotroop mengsel verandert, vormt het een azeotroop met maximaal of minimaal kookpunt.
Het toevoegen van een entrainer kan de zuiverheid van een azeotrope component verder verbeteren.
Maar als u te veel of te weinig entrainer kiest, kan dit de werking van het scheidingsproces veranderen.
Na het Azeotropische punt:
Het destilleren van een azeotroop mengsel voorbij het azeotrope punt is mogelijk, maar dit proces maakt gebruik van alternatieve, kostenintensieve scheidingstechnieken zoals destillatie onder druk.
In plaats van te proberen voorbij het azeotropische punt te destilleren, is het belangrijk om de juiste hoeveelheid entrainer te vinden om een goede scheiding te krijgen.
Azeotrope destillatie in de praktijk
Entrainers bij azeotropische destillatie
Omdat het met water een laagkokende azeotroop kan vormen, werd benzeen vaak gebruikt als entrainer bij azeotroopdestillatie.
Tolueen is echter beter dan benzeen, omdat benzeen kanker kan veroorzaken.
Een entrainer werkt goed als deze kan worden gecombineerd met een van de componenten in het voermengsel om een nieuwe azeotroop te maken.
Dit verandert de relatieve vluchtigheid van de componenten en maakt het mogelijk om ze te scheiden.
De entrainer moet gemakkelijk te scheiden zijn van het product dat u wilt, en u kunt het terugkrijgen door te destilleren, te decanteren of op een andere manier.
Bij azeotrope destillatie hangt het effect van te veel entrainer af van het gebruikte systeem.
Wanneer er te veel entrainer wordt toegevoegd, gaat het energieverbruik omhoog omdat de extra entrainer moet worden gescheiden van het gewenste product.
Dit kan de productiekosten van het product verhogen en kan ook de kwaliteit verminderen.
Soms kan te veel entrainer een derde azeotroop vormen, wat het scheidingsproces kan bemoeilijken.
Aan de andere kant, als u te weinig entrainer gebruikt, wordt het product mogelijk niet volledig gescheiden of is het mogelijk niet zo zuiver.
De juiste hoeveelheid entrainer moet dus worden gebruikt om het niveau van scheiding en zuiverheid te krijgen dat nodig is met de minste hoeveelheid energie en kosten.
Diepe eutectische oplosmiddelen (DES) worden steeds populairder als meesleepmiddelen bij azeotrope destillatie omdat ze beter zijn voor het milieu dan traditionele oplosmiddelen.
Azeotrope mengsels zoals benzeen-cyclohexaan en acetonitril-water zijn eenvoudig te scheiden met DES.
DES kan ook worden gebruikt in een techniek die "extractieve destillatie" wordt genoemd, die vergelijkbaar is met destillatie en waarbij een oplosmiddel wordt toegevoegd om een van de delen van het voedingsmengsel eruit te krijgen.
Azeotrope destillatie in vergelijking met stoomdestillatie
Met stoomdestillatie worden warmtegevoelige materialen zoals natuurlijke aromatische verbindingen gescheiden van organische materialen.
Azeotrope destillatie daarentegen wordt gebruikt om de delen van een azeotroop mengsel te scheiden.
Mengsels die azeotroop zijn, zijn moeilijk te scheiden met traditionele destillatie omdat hun kookpunten hetzelfde blijven en de dampen hetzelfde zijn als het vloeibare mengsel.
Aangezien stoomdestillatie wordt gebruikt om materialen te scheiden die gevoelig zijn voor warmte, is het moeilijk te zeggen wat de azeotrope temperatuur van water en tolueen is.
Tolueen en water vormen daarentegen een azeotroop bij 84,1°C die bestaat uit 22,85% water en 77,15 gew.% tolueen.
Omdat het werkt als een enkele verbinding, kan een mengsel van tolueen en water met deze samenstelling niet verder worden gescheiden door eenvoudige destillatie.
U kunt dit mengsel scheiden door gebruik te maken van azeotropische destillatie met een entrainer of extractieve destillatie met een oplosmiddel.
Video: Azeotroopverplaatsing en scheiding
Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt. Kies "automatische vertaling" in de instellingenknop, als u niet bekend bent met de Engelse taal. Mogelijk moet u eerst op de taal van de video klikken voordat uw favoriete taal beschikbaar komt voor vertaling.
Gebruik gevallen
| Gebruikt in: | Beschrijving: |
|---|---|
| Schoonmakend water | Azeotrope destillatie wordt vaak gebruikt om water te zuiveren, vooral in de halfgeleider- en elektronica-industrie waar ultrazuiver water nodig is. Met behulp van een entrainer kan azeotrope destillatie water maken met zeer weinig onzuiverheden dat kan worden gebruikt in gevoelige situaties. |
| Herstel van oplosmiddelen | Azeotrope destillatie wordt gebruikt om oplosmiddelen uit reactiemengsels te scheiden. Hierdoor kunnen dure of moeilijk te vinden oplosmiddelen worden teruggewonnen en opnieuw worden gebruikt. Zo kan azeotrope destillatie worden gebruikt om ethanol van water te scheiden, dat vervolgens kan worden gebruikt om biobrandstoffen te maken of voor andere industriële doeleinden. |
| Essentiële olie extractie | Een populaire manier om essentiële oliën uit planten te halen, is door azeotrope destillatie te gebruiken. Met behulp van een entrainer kan azeotropische destillatie meer etherische oliën uit planten halen dan traditionele stoomdestillatie. Dit betekent dat de oliën van hogere kwaliteit zijn en meer opleveren. |
| Polymeer zuivering | Azeotrope destillatie kan worden gebruikt om onzuiverheden uit polymeren te verwijderen die hun eigenschappen of hoe goed ze werken kunnen veranderen. Azeotrope destillatie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om polystyreen te reinigen door overgebleven monomeren en andere onzuiverheden te verwijderen die de manier waarop het polymeer werkt kunnen veranderen. |
| Farmaceutische productie | Azeotrope destillatie wordt vaak gebruikt om reactiemengsels te scheiden en te reinigen tijdens de productie van geneesmiddelen. Azeotrope destillatie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om reactiemengsels bij het maken van antibiotica te scheiden en te reinigen, wat resulteert in zeer zuivere producten. |
Conclusie
Concluderend, azeotrope destillatie is een handige manier om gecompliceerde mengsels te scheiden in hun zuivere delen.
Het is een krachtig hulpmiddel voor ingenieurs en wetenschappers vanwege het unieke vermogen om snel pure componenten te maken.
Maar zoals elke scheidingsmethode heeft het zijn grenzen en moet er zorgvuldig worden nagedacht over de samenstelling van het mengsel, de keuze van de entrainer en de procesomstandigheden om goed te werken.
Terwijl u doorgaat met het onderzoeken van de mogelijkheden van azeotrope destillatie, moet u er rekening mee houden dat dit proces niet alleen een technische uitdaging is, maar ook een kans voor creatieve probleemoplossing en nieuwe ideeën.
Als u op de juiste manier over azeotropische destillatie nadenkt, kan dit leiden tot nieuwe technische ontdekkingen en ideeën.
Houd dus een open geest en probeer nieuwe dingen. Er zijn veel opties.
Delen op…
