Som ingeniør eller ingeniørstudent leter du alltid etter måter å separere og rense flytende blandinger som er raske og enkle.
Men du vet kanskje ikke om azeotropisk destillasjon.
Ikke bare skiller denne prosessen blandinger, men den kan også lage rene komponenter, noe som er vanskelig å gjøre med tradisjonelle destillasjonsmetoder.
Azeotropisk destillasjon er en komplisert, men interessant prosess som har blitt svært viktig i ingeniør- og kjemisk industri.
I denne artikkelen vil jeg forklare hvordan azeotropisk destillasjon fungerer, samt dens fordeler, ulemper og vanlige bruksområder.
Med denne kunnskapen vil du kunne ta separasjonsteknikkene dine til neste nivå.
Introduksjon til Azeotropic Destillation
Formell definisjon:
En prosess der en flytende blanding separeres i rene komponenter ved hjelp av et ekstra stoff eller løsemiddel.
Azeotrop destillasjon er en måte å skille delene av en blanding ved å lage en azeotrop, som er en blanding av delene som koker ved samme temperatur.
Destillasjon kan ikke brukes til å skille denne typen blanding i sine deler fordi alle delene har samme mengde damp og væske.
Ekstraktiv destillasjon, derimot, er en lignende måte å skille blandinger på, men i stedet for en entrainer, bruker den et løsningsmiddel for å skille blandingene.
Azeotropisk destillasjon
Ved azeotrop destillasjon brukes en entrainer for å endre hvor flyktige de ulike delene av blandingen er, noe som gjør det mulig å skille dem.
Ved å kombinere en eller flere av komponentene med entraineren lages en ny azeotrop.
Denne nye azeotropen kan separeres fra den opprinnelige blandingen ved fraksjonert destillasjon.
Entraineren er vanligvis en del av blandingen som har lavt kokepunkt og høy relativ flyktighet sammenlignet med de andre delene.
Hvis blandingen danner en minimumkokende azeotrop, som er den azeotropen med lavest kokepunkt, vil medbringeren kombineres med den mer flyktige delen av den opprinnelige blandingen for å danne en azeotrop.
I dette tilfellet fordamper azeotropen med det laveste kokepunktet som dannes når entraineren tilsettes først.
Dette kalles destillatet.
Hvis ikke, hvis en azeotrop med maksimalt kokepunkt dannes med medbringeren, vil den mer flyktige delen av den opprinnelige blandingen fordampe først.
Dette gjør det mulig for fraksjonert destillasjon å separere delene av den opprinnelige blandingen.
Ekstraktiv destillasjon
Ved ekstraktiv destillasjon må hver blanding bruke et annet separasjonsløsningsmiddel, og løsningsmidlene bør ikke ha en tendens til å danne en azeotrop.
Løsemidlet endrer blandingens damp-væske likevekt, noe som gjør det mulig å skille delene.
Ekstraktiv destillasjon kan brukes til å skille blandinger som har en tendens til å danne azeotroper, noe som ikke er mulig med azeotrop destillasjon.
Konstant kokende blandinger
En blanding som koker med konstant hastighet, også kalt en "azeotropisk" blanding, har effekter på fraksjonert destillasjon av mindre enn ideelle blandinger (azeotroper).
Hvis Raoults lov brytes på en positiv måte, lager den en damptrykkskurve med en maksimalverdi som ikke er ren A eller ren B.
Hvis disse blandingene har mye damp, vil kokepunktene deres være lave.
Molekylene beveger seg lett rundt, og fraksjonert destillasjon alene er ikke nok for å få ren etanol fordi den fortsatt vil ha vann og andre urenheter.
Kunsten med kompliserte separasjoner: Utforske Azeotropic Destillation
Fortsatt vanskelig å få til og vanskelig å forstå? La meg endre synspunktet litt:
Er du lei av de samme gamle kjedelige destillasjonsprosessene som bare skiller blandinger uten å tilføre noe ekstra teft? Vil du gjøre separasjonsteknikkene dine vanskeligere og mer forvirrende enn de trenger å være? Vel, jeg har svaret til deg! Azeotropisk destillasjon er en prosess som tar enkel separasjon og gjør den til en labyrint av ekstra stoffer og løsemidler.
Hvorfor bruke bare én ting for å skille blandinger når du kan bruke to eller tre? Hvem vil være enkel når du kan være komplisert? Azeotropisk destillasjon: Noen ganger er den beste måten å rydde opp i delene på å gjøre prosessen så komplisert som mulig.
OK, det var bare en spøk forkledd som en TV-reklame. La oss nå gå tilbake til forklaringen.
Den azeotropiske destillasjonsprosessen
Azeotropisk destillasjon har mange fordeler fremfor andre måter å skille ting på, som hvor enkelt det er å skille entraineren og produktet du ønsker, hvor lett det er å bruke, hvor lite energi det bruker og hvor billig det er.
Typer Entrainers
For azeotropisk destillasjon er det tre typer medbringere: homogene, heterogene og ekstraktive.
Homogene entrainers kan blandes med alle fôrets komponenter, men heterogene entrainers danner to væskefaser som ikke kan blandes.
Ekstraktive medbringere lager ikke en azeotrop med noen av fôrkomponentene.
I stedet fjerner de bare de mer polare eller mindre polare komponentene basert på deres polaritet.
Homogen og heterogen Azeotropisk destillasjon
Det er to typer azeotropisk destillasjon, kalt homogen og heterogen, som avhenger av hvordan entraineren samhandler med fôrblandingen.
Homogen azeotrop destillasjon er enklere å bruke og mer effektiv enn heterogen azeotrop destillasjon fordi entraineren kan blandes med alle komponentene i fôret.
Heterogen azeotrop destillasjon, derimot, bruker en entrainer som ikke kan blandes med noen av fôrblandingens deler.
Dette kan føre til at søylen svikter med små trykkendringer eller at karaffelen slår seg av med små lekkasjer.
Så det er mer påvirket av hvordan det drives enn homogen azeotrop destillasjon.
Begrensninger ved azeotropisk destillasjon
Azeotropisk destillasjon har noen fordeler, men det har også noen problemer.
Noen løsninger kan ikke skilles like godt ved destillasjon hvis de har azeotroper i deres damp-væske likevektstilstander.
Valget av azeotropisk middel kan også ha stor effekt på prosessen og kan forurense miljøet hvis det ikke håndteres riktig.
Dessuten bruker azeotropisk destillasjon fortsatt mye energi, og det kan ikke alltid produseres det renhetsnivået som er nødvendig for målproduktene.
Anvendelser av azeotropisk destillasjon
Dehydrering av etanol
En av de mest kjente måtene azeotrop destillasjon brukes på er å fjerne vann fra blandinger av etanol og vann.
Den azeotropiske blandingen går til den siste kolonnen, som er der azeotrop destillasjon skjer.
Tidligere ble det brukt mange forskjellige medbringer til dette, men benzen ble brukt mest inntil det ble funnet å forårsake kreft.
Mesteparten av tiden brukes cykloheksan til å bryte etanol-vann-azeotropen i moderne vitenskap.
Denne prosessen er svært viktig i drivstoffetanolindustrien, der vann må tas ut av etanol for å forhindre at motorer bryter ned og for å øke mengden etanol i drivstoffblandinger.
Heterogen Azeotropisk destillasjon
Å legge til en entrainer som lager en separat fase er en del av en undergruppe av industrielle azeotropiske destillasjonsmetoder.
I likhet med ekstraktiv destillasjon, kalles denne prosessen med å legge til en entrainer som lager en ny fase entrainment.
En vanlig måte å bruke denne metoden på er å blande benzen med vann og etanol for å lage en ny heterogen azeotrop med lavere kokepunkt som kan separeres på vanlig måte.
Denne metoden er spesielt nyttig for å kvitte seg med urenheter i organiske løsemidler, rense essensielle oljer og få tilbake hydrokarboner.
Andre bruksområder
Azeotropisk destillasjon har en rekke bruksområder i industrien foruten dehydrering av etanol og heterogen azeotrop destillasjon, for eksempel:
- Isomerer, som har nesten de samme fysiske og kjemiske egenskapene, kan separeres ved hjelp av azeotrop destillasjon.
- Azeotropisk destillasjon brukes i farmasøytisk, kjemisk og polymerindustri for å få tilbake løsemidler fra avfallsstrømmer.
- Sure gasser tas ut av naturgassstrømmer ved hjelp av en prosess som kalles azeotropisk destillasjon.
- Separasjon av essensielle oljer: Azeotropisk destillasjon brukes til å skille og rense essensielle oljer fra plantemateriale.
- Fjerning av vann fra løsemidler: Azeotropisk destillasjon brukes i kjemisk og farmasøytisk industri for å fjerne vann fra løsemidler.
Utfordringer i Azeotropic Destillation
Azeotropisk destillasjon er en god måte å skille azeotropiske blandinger på, men det kommer med noen utfordringer som må håndteres for å få de beste resultatene.
Valg av entrainer:
I syntesen og konseptuell design av AD-prosesser er valget av en entrainer svært viktig fordi det bestemmer rekkefølgen for separasjon.
Entraineren skal danne en sterk azeotrop med en av blandingens komponenter og være lett å skille fra produktet du ønsker.
Valget av entrainer påvirker produktets kvalitet og renhet, og hvis det ikke brukes riktig kan det også forurense miljøet.
Overflødig Entrainer-effekter:
Tilsetning av overflødig mengde medbringer kan føre til en økning i energiforbruket, da den ekstra entrainer må skilles fra ønsket produkt.
Dette kan øke kostnadene ved å lage produktet og kan også senke kvaliteten.
I noen tilfeller kan et overskudd av entrainer føre til dannelsen av en tredje azeotrop, noe som kan komplisere separasjonsprosessen.
Utilstrekkelig entrainer:
Hvis du bruker for lite entrainer, kan det hende at produktet ikke er helt separert eller ikke er like rent.
Så, i azeotropisk destillasjon, bør mengden av entrainer optimaliseres slik at ønsket nivå av separasjon og renhet kan nås med minst mulig energi og kostnad.
Hvordan Azeotropes er laget:
Når en entrainer endrer den relative flyktigheten til en azeotrop blanding, danner den enten en maksimalkokende eller minimumkokende azeotrop.
Tilsetning av en entrainer kan ytterligere forbedre renheten til en azeotropisk komponent.
Men hvis du velger for mye eller for lite entrainer, kan det endre hvor godt separasjonsprosessen fungerer.
Etter det azeotropiske punktet:
Destillering av en azeotrop blanding utover dets azeotropiske punkt er mulig, men denne prosessen benytter alternative kostnadsintensive separasjonsteknikker som trykksvingningsdestillasjon.
I stedet for å prøve å destillere forbi det azeotropiske punktet, er det viktig å finne riktig mengde medbringer for å få en god separasjon.
Azeotropisk destillasjon i praksis
Entrainere i Azeotropic Destillation
Fordi det kan danne en lavtkokende azeotrop med vann, ble benzen ofte brukt som en entrainer i azeotrop destillasjon.
Toluen er imidlertid bedre enn benzen, fordi benzen kan forårsake kreft.
En entrainer fungerer bra hvis den kan kombineres med en av komponentene i fôrblandingen for å lage en ny azeotrop.
Dette endrer den relative flyktigheten til komponentene og gjør det mulig å skille dem.
Entraineren skal være lett å skille fra produktet du ønsker, og du kan få det tilbake ved destillering, dekantering eller annen metode.
Ved azeotrop destillasjon avhenger effekten av for mye entrainer av systemet som brukes.
Når for mye entrainer tilsettes, øker mengden energi som brukes, fordi den ekstra entraineren må skilles fra ønsket produkt.
Dette kan øke kostnadene ved å lage produktet og kan også senke kvaliteten.
Noen ganger kan for mye entrainer føre til at en tredje azeotrop dannes, noe som kan gjøre separasjonsprosessen vanskeligere.
På den annen side, hvis du bruker for lite entrainer, kan det hende at produktet ikke er helt adskilt eller ikke er like rent.
Så, riktig mengde medbringer bør brukes for å oppnå nivået av separasjon og renhet som trengs med minst mulig energi og kostnad.
Dype eutektiske løsemidler (DES) blir mer populære som entrainere i azeotropisk destillasjon fordi de er bedre for miljøet enn tradisjonelle løsemidler.
Azeotropiske blandinger som benzen-cykloheksan og acetonitril-vann er enkle å separere med DES.
DES kan også brukes i en teknikk som kalles "ekstraktiv destillasjon", som ligner på destillasjon og innebærer å tilsette et løsningsmiddel for å få ut en av fôrblandingens deler.
Azeotropisk destillasjon sammenlignet med dampdestillasjon
Med dampdestillasjon skilles varmefølsomme materialer som naturlige aromatiske forbindelser fra organiske materialer.
Azeotropisk destillasjon, derimot, brukes til å skille delene av en azeotropisk blanding.
Blandinger som er azeotropiske er vanskelige å skille med tradisjonell destillasjon fordi kokepunktene deres forblir de samme og dampene er de samme som væskeblandingen.
Siden dampdestillasjon brukes til å skille materialer som er følsomme for varme, er det vanskelig å si hva den azeotropiske temperaturen til vann og toluen er.
Toluen og vann, derimot, danner en azeotrop ved 84,1°C som består av 22,85% vann og 77,15 vekt% toluen.
Siden den fungerer som en enkelt forbindelse, kan en blanding av toluen og vann med denne sammensetningen ikke skilles ytterligere ved enkel destillasjon.
Du kan separere denne blandingen ved å bruke azeotropisk destillasjon med en entrainer eller ekstraktiv destillasjon med et løsemiddel.
Video: Azeotrope forskyvning og separasjon
Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med det engelske språket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.
Brukssaker
| Brukt i: | Beskrivelse: |
|---|---|
| Rensevann | Azeotropisk destillasjon brukes ofte til å rense vann, spesielt i halvleder- og elektronikkindustrien hvor ultrarent vann er nødvendig. Ved hjelp av en entrainer kan azeotropisk destillasjon lage vann med svært få urenheter som kan brukes i sensitive situasjoner. |
| Gjenvinning av løsemiddel | Azeotropisk destillasjon brukes til å skille løsemidler fra reaksjonsblandinger. Dette lar dyre eller vanskelig å finne løsemidler gjenvinnes og brukes på nytt. For eksempel kan azeotrop destillasjon brukes til å skille etanol fra vann, som deretter kan brukes til å lage biodrivstoff eller til andre industrielle formål. |
| Eterisk oljeutvinning | En populær måte å få eteriske oljer fra planter på er å bruke azeotropisk destillasjon. Ved å bruke en entrainer kan azeotropisk destillasjon få flere essensielle oljer ut av planter enn tradisjonell dampdestillasjon. Det betyr at oljene vil ha høyere kvalitet og gi mer. |
| Polymer rensing | Azeotropisk destillasjon kan brukes til å fjerne urenheter fra polymerer som kan endre deres egenskaper eller hvor godt de fungerer. For eksempel kan azeotropisk destillasjon brukes til å rense polystyren ved å kvitte seg med rester av monomerer og andre urenheter som kan endre måten polymeren fungerer på. |
| Farmasøytisk produksjon | Azeotropisk destillasjon brukes ofte til å separere og rense reaksjonsblandinger under produksjon av legemidler. For eksempel kan azeotropisk destillasjon brukes til å separere og rense reaksjonsblandinger ved fremstilling av antibiotika, noe som resulterer i produkter med høy renhet. |
Konklusjon
Avslutningsvis er azeotropisk destillasjon en nyttig måte å skille kompliserte blandinger i sine rene deler.
Det er et kraftig verktøy for ingeniører og forskere på grunn av sin unike evne til å lage rene komponenter raskt.
Men, som enhver separasjonsmetode, har den sine begrensninger og krever nøye gjennomtenkning av blandingens sammensetning, valg av entrainer og prosessbetingelsene for å fungere godt.
Når du fortsetter å se på mulighetene for azeotropisk destillasjon, husk at denne prosessen ikke bare er en teknisk utfordring, men også en mulighet for kreativ problemløsning og nye ideer.
Hvis du tenker på azeotropisk destillasjon på riktig måte, kan det føre til nye ingeniørfunn og ideer.
Så hold et åpent sinn og prøv nye ting. Det er mange alternativer.
Dele på…
