Como engenheiro ou estudante de engenharia, você está sempre procurando maneiras de separar e purificar misturas líquidas que sejam rápidas e fáceis.
Mas você pode não saber sobre a destilação azeotrópica.
Esse processo não apenas separa misturas, mas também pode produzir componentes puros, o que é difícil de fazer com os métodos tradicionais de destilação.
A destilação azeotrópica é um processo complicado, mas interessante, que se tornou muito importante nas indústrias de engenharia e química.
Neste artigo, explicarei como funciona a destilação azeotrópica, bem como seus benefícios, desvantagens e usos comuns.
Com esse conhecimento, você poderá levar suas técnicas de separação para o próximo nível.
Introdução à Destilação Azeotrópica
Definição formal:
Um processo pelo qual uma mistura líquida é separada em componentes puros com a ajuda de uma substância ou solvente adicional.
A destilação azeotrópica é uma forma de separar as partes de uma mistura fazendo um azeótropo, que é uma mistura das partes que ferve na mesma temperatura.
A destilação não pode ser usada para separar esse tipo de mistura em suas partes porque todas as partes têm a mesma quantidade de vapor e líquido.
A destilação extrativa, por outro lado, é uma forma semelhante de separar as misturas, mas em vez de um arrastador, usa um solvente para separar as misturas.
Destilação Azeotrópica
Na destilação azeotrópica, um arrastador é usado para alterar a volatilidade das diferentes partes da mistura, o que permite separá-las.
Ao combinar um ou mais dos componentes com o arrastador, um novo azeótropo é feito.
Este novo azeótropo pode ser separado da mistura original por destilação fracionada.
O arrastador é geralmente uma parte da mistura que tem um baixo ponto de ebulição e uma alta volatilidade relativa em comparação com as outras partes.
Se a mistura formar um azeótropo de ebulição mínima, que é o azeótropo com o ponto de ebulição mais baixo, o arrastador se combinará com a parte mais volátil da mistura original para formar um azeótropo.
Neste caso, o azeótropo com o ponto de ebulição mais baixo que se forma quando o arrastador é adicionado evapora primeiro.
Isso é chamado de destilado.
Caso contrário, se um azeótropo com ponto de ebulição máximo se formar com o arrastador, a parte mais volátil da mistura original evaporará primeiro.
Isso possibilita que a destilação fracionada separe as partes da mistura original.
Destilação Extrativa
Na destilação extrativa, cada mistura deve usar um solvente de separação diferente, e os solventes não devem tender a formar um azeótropo.
O solvente altera o equilíbrio líquido-vapor da mistura, o que possibilita a separação das partes.
A destilação extrativa pode ser usada para separar misturas que tendem a formar azeótropos, o que não é possível com a destilação azeotrópica.
Misturas de Ebulição Constante
Uma mistura que ferve a uma taxa constante, também chamada de mistura "azeotrópica", tem efeitos na destilação fracionada de misturas abaixo do ideal (azeotropas).
Se a Lei de Raoult for quebrada de forma positiva, ela faz uma curva de pressão de vapor com um valor máximo que não é A puro ou B puro.
Se essas misturas tiverem muito vapor, seus pontos de ebulição serão baixos.
As moléculas se movimentam com facilidade, e a destilação fracionada sozinha não é suficiente para obter o etanol puro porque ainda terá água e outras impurezas.
A arte das separações complicadas: explorando a destilação azeotrópica
Ainda difícil de entender e difícil de entender? Deixe-me mudar um pouco o ponto de vista:
Você está cansado dos mesmos velhos processos de destilação chatos que apenas separam misturas sem adicionar nenhum toque extra? Você quer tornar suas técnicas de separação mais difíceis e confusas do que precisam ser? Bem, eu tenho a resposta para você! A destilação azeotrópica é um processo que transforma uma separação simples em um labirinto de substâncias e solventes extras.
Por que usar apenas uma coisa para separar misturas quando você pode usar duas ou três? Quem quer ser simples quando você pode ser complicado? Destilação azeotrópica: às vezes, a melhor maneira de limpar suas peças é tornar o processo o mais complicado possível.
OK, isso foi apenas uma piada disfarçada de comercial de TV. Agora vamos voltar para a explicação.
O processo de destilação azeotrópica
A destilação azeotrópica tem muitas vantagens sobre outras formas de separar as coisas, como é fácil separar o arrastador e o produto que você deseja, é fácil de usar, usa pouca energia e é barato.
Tipos de Entrainers
Para a destilação azeotrópica, existem três tipos de arrastadores: homogêneo, heterogêneo e extrativo.
Os carreadores homogêneos podem se misturar com todos os componentes da ração, mas os carreadores heterogêneos formam duas fases líquidas que não podem se misturar.
Os misturadores extrativos não produzem um azeótropo com nenhum dos componentes da ração.
Em vez disso, eles removem apenas os componentes mais polares ou menos polares com base em sua polaridade.
Destilação Azeotrópica Homogênea e Heterogênea
Existem dois tipos de destilação azeotrópica, chamada homogênea e heterogênea, que dependem de como o arrastador interage com a mistura de alimentação.
A destilação azeotrópica homogênea é mais fácil de usar e mais eficiente do que a destilação azeotrópica heterogênea porque o arrastador pode se misturar com todos os componentes da alimentação.
A destilação azeotrópica heterogênea, por outro lado, usa um arrastador que não pode se misturar com nenhuma das partes da mistura de alimentação.
Isso pode fazer com que a coluna falhe com pequenas mudanças de pressão ou o decantador desligue com pequenos vazamentos.
Portanto, é mais afetado pela forma como é executado do que a destilação azeotrópica homogênea.
Limitações da Destilação Azeotrópica
A destilação azeotrópica tem alguns benefícios, mas também tem alguns problemas.
Algumas soluções também não podem ser separadas por destilação se tiverem azeótropos em seus estados de equilíbrio líquido-vapor.
Além disso, a escolha do agente azeotrópico pode ter um grande efeito no processo e, se não for manuseado adequadamente, pode poluir o meio ambiente.
Além disso, usar a destilação azeotrópica ainda consome muita energia e nem sempre produz o nível de pureza necessário para os produtos-alvo.
Aplicações da Destilação Azeotrópica
Desidratação de Etanol
Uma das formas mais conhecidas de destilação azeotrópica é a remoção de água de misturas de etanol e água.
A mistura azeotrópica segue para a última coluna, onde ocorre a destilação azeotrópica.
No passado, muitos arrastadores diferentes eram usados para isso, mas o benzeno era o mais usado até que se descobriu que causava câncer.
Na maioria das vezes, o ciclohexano é usado para quebrar o azeótropo etanol-água na ciência moderna.
Este processo é muito importante na indústria de etanol combustível, onde a água precisa ser retirada do etanol para evitar que os motores quebrem e para aumentar a quantidade de etanol nas misturas de combustível.
Destilação Azeotrópica Heterogênea
Adicionar um arrastador que faz uma fase separada faz parte de um subconjunto de métodos industriais de destilação azeotrópica.
Semelhante à destilação extrativa, esse processo de adição de um entrainer que faz uma nova fase é chamado de arrastamento.
Uma maneira comum de usar esse método é misturar benzeno com água e etanol para fazer um novo azeótropo heterogêneo com um ponto de ebulição mais baixo que pode ser separado da maneira usual.
Este método é especialmente útil para eliminar impurezas em solventes orgânicos, limpar óleos essenciais e recuperar hidrocarbonetos.
Outros usos
A destilação azeotrópica tem vários usos na indústria além da desidratação de etanol e destilação azeotrópica heterogênea, tais como:
- Os isômeros, que têm quase as mesmas propriedades físicas e químicas, podem ser separados por destilação azeotrópica.
- A destilação azeotrópica é usada nas indústrias farmacêutica, química e de polímeros para recuperar solventes de fluxos de resíduos.
- Os gases ácidos são retirados dos fluxos de gás natural usando um processo chamado destilação azeotrópica.
- Separação de óleos essenciais: A destilação azeotrópica é usada para separar e limpar os óleos essenciais da matéria vegetal.
- Remoção de água de solventes: A destilação azeotrópica é usada nas indústrias química e farmacêutica para remover água de solventes.
Desafios na Destilação Azeotrópica
A destilação azeotrópica é uma boa maneira de separar misturas azeotrópicas, mas apresenta alguns desafios que devem ser enfrentados para obter os melhores resultados.
Seleção do Entrainer:
Na síntese e projeto conceitual de processos AD, a escolha de um entrainer é muito importante porque determina a ordem de separação.
O incorporador deve formar um azeótropo forte com um dos componentes da mistura e ser fácil de separar do produto que se deseja.
A escolha do incorporador afeta a qualidade e a pureza do produto e, se não for utilizado adequadamente, também pode poluir o meio ambiente.
Efeitos do Excesso de Entrainer:
A adição de uma quantidade excessiva de incorporador pode ocasionar um aumento no consumo de energia, pois o incorporador adicional deve ser separado do produto desejado.
Isso pode aumentar o custo de fabricação do produto e também pode diminuir sua qualidade.
Em alguns casos, um excesso de arrastador pode levar à formação de um terceiro azeótropo, o que pode complicar o processo de separação.
Entrainer insuficiente:
Se você usar muito pouco entrainer, o produto pode não ser completamente separado ou pode não ser tão puro.
Assim, na destilação azeotrópica, a quantidade de arrastador deve ser otimizada para que o nível desejado de separação e pureza possa ser alcançado com a menor quantidade de energia e custo.
Como são feitos os azeótropos:
Quando um arrastador altera a volatilidade relativa de uma mistura azeotrópica, ele forma um azeótropo de ebulição máxima ou de ebulição mínima.
A adição de um arrastador pode aumentar ainda mais a pureza de um componente azeotrópico.
Mas se você escolher muito ou pouco arrastador, isso pode alterar o funcionamento do processo de separação.
Depois do Ponto Azeotrópico:
É possível destilar uma mistura azeotrópica além de seu ponto azeotrópico, mas esse processo utiliza técnicas alternativas de separação de alto custo, como a destilação por oscilação de pressão.
Em vez de tentar destilar além do ponto azeotrópico, é importante encontrar a quantidade certa de arrastador para obter uma boa separação.
Destilação Azeotrópica na Prática
Entrainers na destilação azeotrópica
Por poder formar um azeótropo de baixo ponto de ebulição com água, o benzeno era frequentemente usado como um arrastador na destilação de azeótropos.
O tolueno é melhor que o benzeno, porque o benzeno pode causar câncer.
Um arrastador funciona bem se puder combinar com um dos componentes da mistura de alimentação para fazer um novo azeótropo.
Isso altera a volatilidade relativa dos componentes e permite separá-los.
O entrainer deve ser fácil de separar do produto que você deseja, e você pode recuperá-lo por destilação, decantação ou algum outro método.
Na destilação azeotrópica, o efeito de muito arrastador depende do sistema que está sendo usado.
Quando se adiciona muito entrainer, a quantidade de energia usada aumenta porque o entrainer extra tem que ser separado do produto desejado.
Isso pode aumentar o custo de fabricação do produto e também pode diminuir sua qualidade.
Às vezes, muito arrastador pode causar a formação de um terceiro azeótropo, o que pode dificultar o processo de separação.
Por outro lado, se você usar muito pouco entrainer, o produto pode não ser completamente separado ou pode não ser tão puro.
Portanto, a quantidade certa de arrastador deve ser usada para obter o nível de separação e pureza necessários com a menor quantidade de energia e custo.
Os solventes eutéticos profundos (DES) estão se tornando mais populares como arrastadores na destilação azeotrópica porque são melhores para o meio ambiente do que os solventes tradicionais.
Misturas azeotrópicas como benzeno-ciclohexano e acetonitrila-água são fáceis de separar com DES.
O DES também pode ser usado em uma técnica chamada "destilação extrativa", que é semelhante à destilação e envolve a adição de um solvente para retirar uma das partes da mistura de alimentação.
Destilação azeotrópica em comparação com a destilação a vapor
Com a destilação a vapor, materiais sensíveis ao calor, como compostos aromáticos naturais, são separados de materiais orgânicos.
A destilação azeotrópica, por outro lado, é usada para separar as partes de uma mistura azeotrópica.
As misturas que são azeotrópicas são difíceis de separar com a destilação tradicional porque seus pontos de ebulição permanecem os mesmos e os vapores são os mesmos da mistura líquida.
Como a destilação a vapor é usada para separar materiais sensíveis ao calor, é difícil dizer qual é a temperatura azeotrópica da água e do tolueno.
Tolueno e água, por outro lado, formam um azeótropo a 84,1°C que é composto de 22,85% de água e 77,15% em peso de tolueno.
Uma vez que age como um único composto, uma mistura de tolueno e água com esta composição não pode ser separada por destilação simples.
Você pode separar esta mistura usando destilação azeotrópica com um arrastador ou destilação extrativa com um solvente.
Vídeo: Deslocamento e separação de azeótropos
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Casos de uso
| Usado em: | Descrição: |
|---|---|
| água de limpeza | A destilação azeotrópica é freqüentemente usada para limpar a água, especialmente nas indústrias de semicondutores e eletrônicos, onde a água ultrapura é necessária. Com a ajuda de um arrastador, a destilação azeotrópica pode produzir água com pouquíssimas impurezas que pode ser utilizada em situações delicadas. |
| recuperação de solvente | A destilação azeotrópica é usada para separar solventes de misturas de reação. Isso permite que solventes caros ou difíceis de encontrar sejam recuperados e usados novamente. Por exemplo, a destilação azeotrópica pode ser usada para separar o etanol da água, que pode ser usada para fazer biocombustíveis ou para outros fins industriais. |
| extração de óleo essencial | Uma maneira popular de obter óleos essenciais de plantas é usar a destilação azeotrópica. Usando um arrastador, a destilação azeotrópica pode extrair mais óleos essenciais das plantas do que a destilação a vapor tradicional. Isso significa que os óleos serão de maior qualidade e renderão mais. |
| purificação de polímero | A destilação azeotrópica pode ser usada para remover as impurezas dos polímeros que podem alterar suas propriedades ou seu funcionamento. Por exemplo, a destilação azeotrópica pode ser usada para limpar o poliestireno, eliminando quaisquer restos de monômeros e outras impurezas que possam alterar o funcionamento do polímero. |
| produção farmacêutica | A destilação azeotrópica é freqüentemente usada para separar e limpar misturas de reação durante a produção de produtos farmacêuticos. Por exemplo, a destilação azeotrópica pode ser usada para separar e limpar misturas de reação na fabricação de antibióticos, resultando em produtos de alta pureza. |
Conclusão
Em conclusão, a destilação azeotrópica é uma maneira útil de separar misturas complicadas em suas partes puras.
É uma ferramenta poderosa para engenheiros e cientistas devido à sua capacidade única de produzir componentes puros rapidamente.
Mas, como qualquer método de separação, tem seus limites e precisa de uma reflexão cuidadosa sobre a composição da mistura, a escolha do iniciador e as condições do processo para funcionar bem.
À medida que você continua a investigar as possibilidades da destilação azeotrópica, lembre-se de que esse processo não é apenas um desafio técnico, mas também uma oportunidade para a solução criativa de problemas e novas ideias.
Se você pensar sobre a destilação azeotrópica da maneira certa, ela pode levar a novas descobertas e ideias de engenharia.
Portanto, mantenha a mente aberta e tente coisas novas. Há muitas opções.
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