Destylacja Azeotropowa: Rozdzielanie Ciekłych Mieszanin

Jako inżynier lub student inżynierii zawsze szukasz sposobów szybkiego i łatwego oddzielania i oczyszczania płynnych mieszanin.

Ale możesz nie wiedzieć o destylacji azeotropowej.

Ten proces nie tylko oddziela mieszaniny, ale może również wytwarzać czyste składniki, co jest trudne do wykonania tradycyjnymi metodami destylacji.

Destylacja azeotropowa to skomplikowany, ale interesujący proces, który stał się bardzo ważny w przemyśle maszynowym i chemicznym.

W tym artykule wyjaśnię, jak działa destylacja azeotropowa, a także jej zalety, wady i typowe zastosowania.

Dzięki tej wiedzy będziesz w stanie przenieść swoje techniki separacji na wyższy poziom.

Wprowadzenie do destylacji azeotropowej

Formalna definicja:

Proces, w którym ciekła mieszanina jest rozdzielana na czyste składniki za pomocą dodatkowej substancji lub rozpuszczalnika.

Destylacja azeotropowa to sposób na oddzielenie części mieszaniny poprzez utworzenie azeotropu, który jest mieszaniną części wrzących w tej samej temperaturze.

Destylacji nie można zastosować do rozdzielenia tego rodzaju mieszaniny na jej części, ponieważ wszystkie części mają taką samą ilość pary i cieczy.

Z drugiej strony destylacja ekstrakcyjna jest sposobem podobnym do rozdzielania mieszanin, ale zamiast czynnika azeotropowego do rozdzielania mieszanin wykorzystuje się rozpuszczalnik.

Destylacja azeotropowa

W destylacji azeotropowej czynnik azeotropowy służy do zmiany lotności różnych części mieszaniny, co umożliwia ich rozdzielenie.

Łącząc jeden lub więcej składników z entrainerem, powstaje nowy azeotrop.

Ten nowy azeotrop można oddzielić od pierwotnej mieszaniny przez destylację frakcyjną.

Entrainer jest zwykle częścią mieszaniny, która ma niską temperaturę wrzenia i wysoką względną lotność w porównaniu z innymi częściami.

Jeśli mieszanina tworzy azeotrop o minimalnej temperaturze wrzenia, który jest azeotropem o najniższej temperaturze wrzenia, czynnik azeotropujący połączy się z bardziej lotną częścią pierwotnej mieszaniny, tworząc azeotrop.

W tym przypadku azeotrop o najniższej temperaturze wrzenia, który tworzy się po dodaniu środka azeotropującego, odparowuje jako pierwszy.

Nazywa się to destylatem.

Jeśli nie, jeśli z czynnikiem azeotropowym utworzy się azeotrop o maksymalnej temperaturze wrzenia, bardziej lotna część pierwotnej mieszaniny odparuje jako pierwsza.

Dzięki temu destylacja frakcyjna umożliwia oddzielenie części pierwotnej mieszaniny.

Destylacja ekstrakcyjna

W destylacji ekstrakcyjnej każda mieszanina musi wykorzystywać inny rozpuszczalnik rozdzielający, a rozpuszczalniki nie powinny mieć tendencji do tworzenia azeotropu.

Rozpuszczalnik zmienia równowagę pary i cieczy w mieszaninie, co umożliwia rozdzielenie części.

Destylację ekstrakcyjną można stosować do rozdzielania mieszanin, które mają tendencję do tworzenia azeotropów, co nie jest możliwe w przypadku destylacji azeotropowej.

Stałe wrzące mieszaniny

Mieszanina, która wrze ze stałą szybkością, zwana także mieszaniną „azeotropową”, ma wpływ na destylację frakcyjną mieszanin mniej niż idealnych (azeotropów).

Jeśli prawo Raoulta zostanie złamane w pozytywny sposób, tworzy krzywą prężności pary z maksymalną wartością, która nie jest czystym A ani czystym B.

Jeśli te mieszaniny zawierają dużo pary, ich temperatura wrzenia będzie niska.

Cząsteczki łatwo się poruszają, a sama destylacja frakcyjna nie wystarczy do uzyskania czystego etanolu, ponieważ nadal będzie zawierał wodę i inne zanieczyszczenia.

Sztuka skomplikowanych separacji: odkrywanie destylacji azeotropowej

Nadal trudne do zdobycia i trudne do zrozumienia? Zmienię trochę punkt widzenia:

Czy jesteś zmęczony tymi samymi starymi nudnymi procesami destylacji, które po prostu rozdzielają mieszaniny bez dodawania dodatkowego stylu? Czy chcesz, aby twoje techniki separacji były trudniejsze i bardziej zagmatwane, niż powinny? Cóż, mam dla ciebie odpowiedź! Destylacja azeotropowa to proces, który wymaga prostej separacji i zamienia ją w labirynt dodatkowych substancji i rozpuszczalników.

Po co używać tylko jednej rzeczy do rozdzielania mieszanin, skoro można użyć dwóch lub trzech? Kto chce być prosty, kiedy można być skomplikowanym? Destylacja azeotropowa: Czasami najlepszym sposobem oczyszczenia części jest maksymalne skomplikowanie procesu.

OK, to był tylko żart przebrany za reklamę telewizyjną. Wróćmy teraz do wyjaśnienia.

Proces destylacji azeotropowej

Destylacja azeotropowa ma wiele zalet w stosunku do innych sposobów rozdzielania rzeczy, takich jak łatwość oddzielenia azeotropu i pożądanego produktu, łatwość użycia, małe zużycie energii i niska cena.

Rodzaje Entrainerów

W przypadku destylacji azeotropowej istnieją trzy rodzaje czynników azeotropowych: homogeniczne, heterogeniczne i ekstrakcyjne.

Jednorodne entrainery mogą mieszać się ze wszystkimi składnikami paszy, ale heterogeniczne entrainery tworzą dwie fazy ciekłe, których nie można mieszać.

Ekstrakcyjne entrainery nie tworzą azeotropu z żadnym ze składników paszy.

Zamiast tego usuwają tylko bardziej polarne lub mniej polarne komponenty na podstawie ich polaryzacji.

Jednorodna i heterogeniczna destylacja azeotropowa

Istnieją dwa rodzaje destylacji azeotropowej, zwane homogeniczną i heterogeniczną, które zależą od tego, jak czynnik azeotropowy oddziałuje z mieszanką zasilającą.

Jednorodna destylacja azeotropowa jest łatwiejsza w użyciu i bardziej wydajna niż heterogeniczna destylacja azeotropowa, ponieważ czynnik azeotropowy może mieszać się ze wszystkimi składnikami wsadu.

Z drugiej strony heterogeniczna destylacja azeotropowa wykorzystuje czynnik azeotropowy, który nie może mieszać się z żadną częścią mieszanki paszowej.

Może to spowodować awarię kolumny przy niewielkich zmianach ciśnienia lub wyłączenie dekantera przy niewielkich nieszczelnościach.

Tak więc bardziej zależy od tego, jak jest prowadzony niż jednorodna destylacja azeotropowa.

Ograniczenia destylacji azeotropowej

Destylacja azeotropowa ma pewne zalety, ale wiąże się również z pewnymi problemami.

Niektórych roztworów nie można również rozdzielić przez destylację, jeśli mają azeotropy w swoich stanach równowagi para-ciecz.

Również wybór czynnika azeotropowego może mieć duży wpływ na proces i, jeśli nie jest właściwie obsługiwany, może zanieczyścić środowisko.

Ponadto stosowanie destylacji azeotropowej nadal zużywa dużo energii i nie zawsze może zapewnić poziom czystości wymagany dla docelowych produktów.

Zastosowania destylacji azeotropowej

Odwodnienie etanolu

Jednym z najbardziej znanych sposobów wykorzystania destylacji azeotropowej jest usuwanie wody z mieszanin etanolu i wody.

Mieszanina azeotropowa trafia do ostatniej kolumny, w której zachodzi destylacja azeotropowa.

W przeszłości używano do tego wielu różnych czynników azeotropowych, ale najczęściej używano benzenu, dopóki nie stwierdzono, że powoduje raka.

Przez większość czasu cykloheksan jest używany do rozbijania azeotropu etanol-woda we współczesnej nauce.

Proces ten jest bardzo ważny w przemyśle etanolu paliwowego, gdzie z etanolu należy usunąć wodę, aby zapobiec awariom silników i zwiększyć ilość etanolu w mieszankach paliwowych.

Heterogeniczna destylacja azeotropowa

Dodanie czynnika azeotropowego, który tworzy oddzielną fazę, jest częścią podzbioru przemysłowych metod destylacji azeotropowej.

Podobnie jak w przypadku destylacji ekstrakcyjnej, ten proces dodawania czynnika azeotropowego, który tworzy nową fazę, nazywa się porywaniem.

Powszechnym sposobem stosowania tej metody jest mieszanie benzenu z wodą i etanolem w celu wytworzenia nowego heterogenicznego azeotropu o niższej temperaturze wrzenia, który można rozdzielić w zwykły sposób.

Ta metoda jest szczególnie przydatna do usuwania zanieczyszczeń w rozpuszczalnikach organicznych, czyszczenia olejków eterycznych i odzyskiwania węglowodorów.

Inne zastosowania

Destylacja azeotropowa ma wiele zastosowań w przemyśle oprócz odwadniania etanolu i heterogenicznej destylacji azeotropowej, takich jak:

• Izomery, które mają prawie takie same właściwości fizyczne i chemiczne, można rozdzielić za pomocą destylacji azeotropowej.
• Destylacja azeotropowa jest stosowana w przemyśle farmaceutycznym, chemicznym i polimerowym do odzyskiwania rozpuszczalników ze strumieni odpadów.
• Kwaśne gazy są usuwane ze strumieni gazu ziemnego w procesie zwanym destylacją azeotropową.
• Oddzielanie olejków eterycznych: Destylacja azeotropowa służy do oddzielania i oczyszczania olejków eterycznych z materii roślinnej.
• Usuwanie wody z rozpuszczalników: Destylacja azeotropowa jest stosowana w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym do usuwania wody z rozpuszczalników.

Wyzwania w destylacji azeotropowej

Destylacja azeotropowa to dobry sposób rozdzielania mieszanin azeotropowych, ale wiąże się z pewnymi wyzwaniami, z którymi należy sobie poradzić, aby uzyskać najlepsze wyniki.

Wybór Entrainera:

W syntezie i projektowaniu koncepcyjnym procesów AD wybór entrainera jest bardzo ważny, ponieważ determinuje kolejność separacji.

Entrainer musi tworzyć silny azeotrop z jednym ze składników mieszanki i być łatwy do oddzielenia od pożądanego produktu.

Wybór entrainera wpływa na jakość i czystość produktu, a niewłaściwie stosowany może również zanieczyszczać środowisko.

Efekty Nadmiaru Porywacza:

Dodanie nadmiaru czynnika odciągającego może spowodować wzrost zużycia energii, ponieważ dodatkowy czynnik odciągający musi zostać oddzielony od pożądanego produktu.

Może to podnieść koszt wytworzenia produktu, a także obniżyć jego jakość.

W niektórych przypadkach nadmiar czynnika azeotropowego może prowadzić do powstania trzeciego azeotropu, co może skomplikować proces rozdzielania.

Niewystarczający Entrainer:

Jeśli użyjesz zbyt małej ilości entrainera, produkt może nie zostać całkowicie oddzielony lub może nie być tak czysty.

Tak więc w destylacji azeotropowej ilość czynnika azeotropowego powinna być zoptymalizowana tak, aby można było osiągnąć pożądany poziom separacji i czystości przy jak najmniejszej ilości energii i kosztów.

Jak powstają azeotropy:

Kiedy czynnik azeotropowy zmienia względną lotność mieszaniny azeotropowej, tworzy azeotrop o maksymalnym lub minimalnym wrzeniu.

Dodanie czynnika azeotropowego może jeszcze bardziej zwiększyć czystość składnika azeotropowego.

Ale jeśli wybierzesz za dużo lub za mało środka porywającego, może to zmienić skuteczność procesu separacji.

Po punkcie azeotropowym:

Destylacja mieszaniny azeotropowej poza jej punkt azeotropowy jest możliwa, ale proces ten wykorzystuje alternatywne, kosztowne techniki rozdzielania, takie jak destylacja zmiennociśnieniowa.

Zamiast próbować destylować poza punkt azeotropowy, ważne jest, aby znaleźć odpowiednią ilość czynnika azeotropowego, aby uzyskać dobrą separację.

Destylacja azeotropowa w praktyce

Entrainery w destylacji azeotropowej

Ponieważ może tworzyć niskowrzący azeotrop z wodą, benzen był często używany jako czynnik azeotropowy w destylacji azeotropowej.

Toluen jest jednak lepszy niż benzen, ponieważ benzen może powodować raka.

Entrainer działa dobrze, jeśli może łączyć się z jednym ze składników mieszanki paszowej, tworząc nowy azeotrop.

Zmienia to względną lotność składników i umożliwia ich rozdzielenie.

Entrainer powinien być łatwy do oddzielenia od pożądanego produktu i można go odzyskać przez destylację, dekantację lub inną metodą.

W destylacji azeotropowej wpływ zbyt dużej ilości czynnika azeotropowego zależy od używanego systemu.

W przypadku dodania zbyt dużej ilości czynnika pochłaniającego, ilość zużywanej energii wzrasta, ponieważ dodatkowy czynnik pochłaniający musi zostać oddzielony od pożądanego produktu.

Może to podnieść koszt wytworzenia produktu, a także obniżyć jego jakość.

Czasami zbyt duża ilość azeotropu może spowodować powstanie trzeciego azeotropu, co może utrudnić proces separacji.

Z drugiej strony, jeśli użyjesz zbyt małej ilości entrainera, produkt może nie zostać całkowicie oddzielony lub może nie być tak czysty.

Tak więc należy zastosować odpowiednią ilość czynnika azeotropującego, aby uzyskać wymagany poziom separacji i czystości przy jak najmniejszym zużyciu energii i kosztów.

Rozpuszczalniki z głębokiej eutektyki (DES) stają się coraz bardziej popularne jako czynniki azeotropowe w destylacji azeotropowej, ponieważ są lepsze dla środowiska niż tradycyjne rozpuszczalniki.

Mieszaniny azeotropowe, takie jak benzen-cykloheksan i acetonitryl-woda, można łatwo rozdzielić za pomocą DES.

DES można również stosować w technice zwanej „destylacją ekstrakcyjną”, która jest podobna do destylacji i polega na dodaniu rozpuszczalnika w celu usunięcia jednej z części mieszanki zasilającej.

Destylacja azeotropowa w porównaniu z destylacją z parą wodną

Podczas destylacji z parą wodną materiały wrażliwe na ciepło, takie jak naturalne związki aromatyczne, są oddzielane od materiałów organicznych.

Z drugiej strony destylacja azeotropowa służy do rozdzielania części mieszaniny azeotropowej.

Mieszaniny, które są azeotropowe, są trudne do rozdzielenia za pomocą tradycyjnej destylacji, ponieważ ich temperatury wrzenia pozostają takie same, a opary są takie same jak ciekła mieszanina.

Ponieważ destylacja z parą wodną służy do oddzielania materiałów wrażliwych na ciepło, trudno jest określić, jaka jest temperatura azeotropowa wody i toluenu.

Z drugiej strony toluen i woda tworzą azeotrop w temperaturze 84,1°C, który składa się z 22,85% wody i 77,15% wagowych toluenu.

Ponieważ działa jak pojedynczy związek, mieszanina toluenu i wody z tym dodatkiem nie może być dalej rozdzielana przez prostą destylację.

Możesz rozdzielić tę mieszaninę, stosując destylację azeotropową z czynnikiem azeotropowym lub destylację ekstrakcyjną z rozpuszczalnikiem.

Wideo: Przemieszczenie i separacja azeotropu

Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz. Wybierz „automatyczne tłumaczenie” w przycisku ustawień, jeśli nie znasz języka angielskiego. Może być konieczne kliknięcie najpierw języka filmu, zanim Twój ulubiony język będzie dostępny do tłumaczenia.

Przypadków użycia

Stosuje się w:	Opis:
Woda do czyszczenia	Destylacja azeotropowa jest często stosowana do oczyszczania wody, zwłaszcza w przemyśle półprzewodnikowym i elektronicznym, gdzie potrzebna jest ultraczysta woda. Przy pomocy czynnika azeotropowego destylacja azeotropowa może wytworzyć wodę z bardzo małą ilością zanieczyszczeń, którą można stosować w sytuacjach wrażliwych.
Odzyskiwanie rozpuszczalnika	Destylacja azeotropowa służy do oddzielania rozpuszczalników od mieszanin reakcyjnych. Pozwala to na odzyskanie i ponowne użycie drogich lub trudnych do znalezienia rozpuszczalników. Na przykład destylację azeotropową można zastosować do oddzielenia etanolu od wody, którą następnie można wykorzystać do produkcji biopaliw lub do innych celów przemysłowych.
Ekstrakcja olejku eterycznego	Popularnym sposobem pozyskiwania olejków eterycznych z roślin jest destylacja azeotropowa. Używając entrainera, destylacja azeotropowa może wydobyć z roślin więcej olejków eterycznych niż tradycyjna destylacja z parą wodną. Oznacza to, że oleje będą lepszej jakości i wydajniejsze.
Oczyszczanie polimerów	Destylację azeotropową można stosować do usuwania zanieczyszczeń z polimerów, które mogłyby zmienić ich właściwości lub działanie. Na przykład destylację azeotropową można zastosować do czyszczenia polistyrenu poprzez pozbycie się wszelkich resztek monomerów i innych zanieczyszczeń, które mogłyby zmienić sposób działania polimeru.
Produkcja farmaceutyczna	Destylacja azeotropowa jest często stosowana do oddzielania i oczyszczania mieszanin reakcyjnych podczas produkcji farmaceutyków. Na przykład destylację azeotropową można stosować do oddzielania i oczyszczania mieszanin reakcyjnych podczas wytwarzania antybiotyków, co daje produkty o wysokiej czystości.

Wniosek

Podsumowując, destylacja azeotropowa jest użytecznym sposobem rozdzielania skomplikowanych mieszanin na ich czyste części.

Jest to potężne narzędzie dla inżynierów i naukowców ze względu na jego wyjątkową zdolność do szybkiego tworzenia czystych komponentów.

Jednak, jak każda metoda separacji, ma ona swoje ograniczenia i wymaga starannego rozważenia składu mieszaniny, wyboru czynnika azeotropowego i warunków procesu, aby działała dobrze.

Kontynuując badanie możliwości destylacji azeotropowej, pamiętaj, że proces ten jest nie tylko wyzwaniem technicznym, ale także okazją do kreatywnego rozwiązywania problemów i nowych pomysłów.

Jeśli pomyślisz o destylacji azeotropowej we właściwy sposób, może to prowadzić do nowych odkryć i pomysłów inżynieryjnych.

Dlatego miej otwarty umysł i próbuj nowych rzeczy. Istnieje wiele opcji.