În calitate de inginer sau student la inginerie, sunteți mereu în căutarea unor modalități de a separa și purifica amestecurile lichide care sunt rapide și ușoare.
Dar este posibil să nu știți despre distilarea azeotropă.
Acest proces nu numai că separă amestecurile, dar poate face și componente pure, ceea ce este greu de realizat cu metodele tradiționale de distilare.
Distilarea azeotropă este un proces complicat, dar interesant, care a devenit foarte important în industria ingineriei și chimică.
În acest articol, voi explica cum funcționează distilarea azeotropă, precum și beneficiile, dezavantajele și utilizările obișnuite ale acesteia.
Cu aceste cunoștințe, vei putea să-ți duci tehnicile de separare la următorul nivel.
Introducere în Distilarea Azeotropică
Definiție formală:
Un proces prin care un amestec lichid este separat în componente pure cu ajutorul unei substanțe sau solvent suplimentar.
Distilarea azeotropă este o modalitate de a separa părțile unui amestec prin realizarea unui azeotrop, care este un amestec al părților care fierbe la aceeași temperatură.
Distilarea nu poate fi folosită pentru a separa acest tip de amestec în părțile sale, deoarece toate părțile au aceeași cantitate de vapori și lichid.
Distilarea extractivă, pe de altă parte, este o modalitate similară cu separarea amestecurilor, dar în loc de un antrenor, folosește un solvent pentru a separa amestecurile.
Distilarea azeotropică
În distilarea azeotropă, se folosește un antrenor pentru a modifica cât de volatile sunt diferitele părți ale amestecului, ceea ce face posibilă separarea lor.
Prin combinarea unuia sau mai multor componente cu antrenorul, se realizează un nou azeotrop.
Acest nou azeotrop poate fi separat de amestecul original prin distilare fracționată.
Antrenorul este de obicei o parte a amestecului care are un punct de fierbere scăzut și o volatilitate relativă ridicată în comparație cu celelalte părți.
Dacă amestecul formează un azeotrop cu punct de fierbere minim, care este azeotropul cu cel mai scăzut punct de fierbere, antrenorul se va combina cu partea mai volatilă a amestecului original pentru a forma un azeotrop.
În acest caz, azeotropul cu punctul de fierbere cel mai scăzut care se formează atunci când se adaugă antrenorul se evaporă mai întâi.
Acesta se numește distilat.
Dacă nu, dacă odată cu antrenorul se formează un azeotrop cu punct de fierbere maxim, partea mai volatilă a amestecului original se va evapora mai întâi.
Acest lucru face posibil ca distilarea fracționată să separe părțile amestecului original.
Distilarea extractivă
În distilarea extractivă, fiecare amestec trebuie să folosească un solvent de separare diferit, iar solvenții nu ar trebui să aibă tendința de a forma un azeotrop.
Solventul modifică echilibrul vapor-lichid al amestecului, ceea ce face posibilă separarea părților.
Distilarea extractivă poate fi utilizată pentru a separa amestecurile care tind să formeze azeotropi, ceea ce nu este posibil cu distilarea azeotropă.
Amestecuri cu fierbere constantă
Un amestec care fierbe la o viteză constantă, numit și amestec „azeotrop”, are efecte asupra distilării fracționate a amestecurilor mai puțin decât ideale (azeotropi).
Dacă legea lui Raoult este încălcată într-un mod pozitiv, se realizează o curbă a presiunii vaporilor cu o valoare maximă care nu este A pur sau B pur.
Dacă aceste amestecuri au o mulțime de abur, punctele lor de fierbere vor fi scăzute.
Moleculele se mișcă cu ușurință, iar distilarea fracționată singură nu este suficientă pentru a obține etanol pur, deoarece va avea în continuare apă și alte impurități.
Arta separărilor complicate: explorarea distilației azeotropice
Încă greu de înțeles și greu de înțeles? Hai sa schimb putin punctul de vedere:
Te-ai săturat de aceleași procese de distilare plictisitoare, care doar separă amestecurile fără a adăuga un plus de fler? Vrei să faci tehnicile tale de separare mai dificile și mai confuze decât ar trebui să fie? Ei bine, am răspunsul pentru tine! Distilarea azeotropă este un proces care necesită o simplă separare și îl transformă într-un labirint de substanțe și solvenți în plus.
De ce să folosiți un singur lucru pentru a separa amestecurile când puteți folosi două sau trei? Cine vrea să fie simplu când poți fi complicat? Distilarea azeotropă: Uneori, cel mai bun mod de a vă curăța piesele este de a face procesul cât mai complicat posibil.
OK, a fost doar o glumă deghizată în reclamă TV. Acum să revenim la explicație.
Procesul de distilare azeotropică
Distilarea azeotropică are o mulțime de avantaje față de alte moduri de a separa lucrurile, cum ar fi cât de ușor este să separați antrenorul și produsul dorit, cât de ușor este de utilizat, cât de puțină energie folosește și cât de ieftin este.
Tipuri de antrenare
Pentru distilarea azeotropă, există trei tipuri de antrenatori: omogene, eterogene și extractive.
Antrenorii omogenei se pot amesteca cu toate componentele furajului, dar antrenorii eterogene formează două faze lichide care nu se pot amesteca.
Antrenorii extractivi nu fac un azeotrop cu niciuna dintre componentele furajului.
În schimb, îndepărtează doar componentele mai polare sau mai puțin polare pe baza polarității lor.
Distilarea azeotropă omogenă și eterogenă
Există două tipuri de distilare azeotropă, numite omogenă și eterogenă, care depind de modul în care antrenorul interacționează cu amestecul de furaj.
Distilarea azeotropă omogenă este mai ușor de utilizat și mai eficientă decât distilarea azeotropă eterogenă, deoarece antrenorul se poate amesteca cu toate componentele din furaj.
Pe de altă parte, distilarea azeotropă eterogenă folosește un antrenor care nu se poate amesteca cu niciuna dintre părțile amestecului de furaj.
Acest lucru poate face ca coloana să se defecteze cu mici modificări de presiune sau decantorul să se închidă cu mici scurgeri.
Deci, este mai afectat de modul în care este condus decât de distilarea azeotropă omogenă.
Limitele distilarii azeotropice
Distilarea azeotropică are unele beneficii, dar are și unele probleme.
Unele soluții nu pot fi separate la fel de bine prin distilare dacă au azeotropi în stările lor de echilibru vapor-lichid.
De asemenea, alegerea agentului azeotrop poate avea un efect mare asupra procesului și, dacă nu este manipulat corespunzător, poate polua mediul.
De asemenea, utilizarea distilării azeotropice încă mai folosește multă energie și este posibil să nu producă întotdeauna nivelul de puritate necesar pentru produsele țintă.
Aplicații ale distilației azeotrope
Deshidratarea etanolului
Una dintre cele mai cunoscute moduri prin care se folosește distilarea azeotropă este eliminarea apei din amestecurile de etanol și apă.
Amestecul azeotrop merge la ultima coloană, unde are loc distilarea azeotropă.
În trecut, au fost folosiți mulți antrenatori diferiți pentru aceasta, dar benzenul a fost folosit cel mai mult până când s-a descoperit că provoacă cancer.
De cele mai multe ori, ciclohexanul este folosit pentru a sparge azeotropul etanol-apă în știința modernă.
Acest proces este foarte important în industria etanolului de combustibil, unde apa trebuie să fie scoasă din etanol pentru a împiedica motoarele să se defecteze și pentru a crește cantitatea de etanol din amestecurile de combustibili.
Distilare azeotropă eterogenă
Adăugarea unui antrenor care face o fază separată face parte dintr-un subset de metode industriale de distilare azeotropă.
Similar cu distilarea extractivă, acest proces de adăugare a unui antrenor care face o nouă fază se numește antrenament.
O modalitate obișnuită de a utiliza această metodă este amestecarea benzenului cu apă și etanol pentru a face un nou azeotrop eterogen cu un punct de fierbere mai scăzut care poate fi separat în mod obișnuit.
Această metodă este utilă în special pentru eliminarea impurităților din solvenții organici, curățarea uleiurilor esențiale și recuperarea hidrocarburilor.
Alte utilizări
Distilarea azeotropă are o serie de utilizări în industrie, pe lângă deshidratarea etanolului și distilarea azeotropă eterogenă, cum ar fi:
- Izomerii, care au aproape aceleași proprietăți fizice și chimice, pot fi separați prin distilare azeotropă.
- Distilarea azeotropă este utilizată în industria farmaceutică, chimică și polimerică pentru a recupera solvenții din fluxurile de deșeuri.
- Gazele acide sunt scoase din fluxurile de gaze naturale folosind un proces numit distilare azeotropă.
- Separarea uleiurilor esențiale: Distilarea azeotropă este utilizată pentru a separa și curăța uleiurile esențiale de materia vegetală.
- Îndepărtarea apei din solvenți: Distilarea azeotropă este utilizată în industria chimică și farmaceutică pentru a îndepărta apa din solvenți.
Provocări în distilare azeotropică
Distilarea azeotropă este o modalitate bună de a separa amestecurile azeotrope, dar vine cu câteva provocări care trebuie rezolvate pentru a obține cele mai bune rezultate.
Selecția antrenatorului:
În sinteza și proiectarea conceptuală a proceselor AD, alegerea unui antrenor este foarte importantă deoarece determină ordinea de separare.
Antrenorul trebuie să formeze un azeotrop puternic cu unul dintre componentele amestecului și să fie ușor de separat de produsul dorit.
Alegerea antrenorului afectează calitatea și puritatea produsului, iar dacă nu este utilizat corespunzător, poate polua și mediul.
Efectele antrenatorului în exces:
Adăugarea unei cantități în exces de antrenor poate determina o creștere a consumului de energie, deoarece antrenorul suplimentar trebuie separat de produsul dorit.
Acest lucru poate crește costul fabricării produsului și, de asemenea, poate scădea calitatea acestuia.
În unele cazuri, un exces de antrenor poate duce la formarea unui al treilea azeotrop, care poate complica procesul de separare.
Antrenor insuficient:
Dacă utilizați prea puțin antrenor, este posibil ca produsul să nu fie complet separat sau să nu fie la fel de pur.
Deci, în distilarea azeotropă, cantitatea de antrenor ar trebui optimizată astfel încât nivelul dorit de separare și puritate să poată fi atins cu cea mai mică cantitate de energie și cost.
Cum se produc azeotropele:
Când un antrenor modifică volatilitatea relativă a unui amestec azeotrop, acesta formează fie un azeotrop cu fierbere maximă, fie cu fierbere minimă.
Adăugarea unui antrenor poate spori și mai mult puritatea unei componente azeotrope.
Dar dacă alegeți prea mult sau prea puțin antrenor, se poate schimba cât de bine funcționează procesul de separare.
După punctul azeotropic:
Este posibilă distilarea unui amestec azeotrop dincolo de punctul său azeotrop, dar acest proces utilizează tehnici alternative de separare costisitoare, cum ar fi distilarea prin variație de presiune.
În loc să încercați să distilați dincolo de punctul azeotrop, este important să găsiți cantitatea potrivită de antrenor pentru a obține o bună separare.
Distilarea azeotropă în practică
Antrenori în distilare azeotropă
Deoarece poate forma un azeotrop cu punct de fierbere scăzut cu apă, benzenul a fost adesea folosit ca antrenor în distilarea azeotropului.
Totuși, toluenul este mai bun decât benzenul, deoarece benzenul poate provoca cancer.
Un antrenor funcționează bine dacă se poate combina cu unul dintre componentele amestecului de furaj pentru a face un nou azeotrop.
Aceasta modifică volatilitatea relativă a componentelor și face posibilă separarea acestora.
Antrenorul ar trebui să fie ușor de separat de produsul dorit și îl puteți recupera prin distilare, decantare sau altă metodă.
În distilarea azeotropă, efectul unui prea mult antrenor depinde de sistemul utilizat.
Când se adaugă prea mult antrenor, cantitatea de energie utilizată crește, deoarece antrenorul suplimentar trebuie separat de produsul dorit.
Acest lucru poate crește costul fabricării produsului și, de asemenea, poate scădea calitatea acestuia.
Uneori, prea mult antrenor poate determina formarea unui al treilea azeotrop, ceea ce poate face procesul de separare mai dificil.
Pe de altă parte, dacă utilizați prea puțin antrenor, este posibil ca produsul să nu fie complet separat sau să nu fie la fel de pur.
Deci, cantitatea potrivită de antrenor trebuie utilizată pentru a obține nivelul de separare și puritate necesar cu cea mai mică cantitate de energie și cost.
Solvenții eutectici profundi (DES) devin din ce în ce mai populari ca antrenatori în distilarea azeotropă, deoarece sunt mai buni pentru mediu decât solvenții tradiționali.
Amestecurile azeotrope precum benzen-ciclohexan și acetonitril-apă sunt ușor de separat cu DES.
DES poate fi folosit și într-o tehnică numită „distilare extractivă”, care este similară cu distilarea și implică adăugarea unui solvent pentru a scoate una dintre părțile amestecului de furaj.
Distilarea azeotropă în comparație cu distilarea cu abur
Cu distilare cu abur, materialele sensibile la căldură, cum ar fi compușii aromatici naturali, sunt separate de materialele organice.
Distilarea azeotropă, pe de altă parte, este utilizată pentru a separa părțile unui amestec azeotrop.
Amestecurile care sunt azeotrope sunt greu de separat prin distilare tradițională, deoarece punctele lor de fierbere rămân aceleași și vaporii sunt la fel ca și amestecul lichid.
Deoarece distilarea cu abur este folosită pentru a separa materialele care sunt sensibile la căldură, este greu de spus care este temperatura azeotropă a apei și a toluenului.
Toluenul și apa, pe de altă parte, formează un azeotrop la 84,1°C care este alcătuit din 22,85% apă și 77,15% în greutate toluen.
Deoarece acționează ca un singur compus, un amestec de toluen și apă cu acest machiaj nu poate fi separat mai departe prin distilare simplă.
Puteți separa acest amestec folosind distilare azeotropă cu un antrenor sau distilare extractivă cu un solvent.
Video: Deplasarea și separarea azeotropilor
Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el. Alegeți „traducere automată” în butonul de setări, dacă nu sunteți familiarizat cu limba engleză. Poate fi necesar să faceți mai întâi clic pe limba videoclipului înainte ca limba preferată să devină disponibilă pentru traducere.
Cazuri de utilizare
| Folosit in: | Descriere: |
|---|---|
| Apa de curatare | Distilarea azeotropică este adesea folosită pentru curățarea apei, în special în industriile semiconductoare și electronice, unde este nevoie de apă ultrapură. Cu ajutorul unui antrenor, distilarea azeotropa poate face apa cu foarte putine impuritati care poate fi folosita in situatii sensibile. |
| Recuperarea solventului | Distilarea azeotropă este utilizată pentru a separa solvenții din amestecurile de reacție. Acest lucru permite solvenților scumpi sau greu de găsit să fie recuperați și utilizați din nou. De exemplu, distilarea azeotropă poate fi utilizată pentru a separa etanolul de apă, care poate fi apoi folosit pentru a produce biocombustibili sau în alte scopuri industriale. |
| Extracția uleiului esențial | O modalitate populară de a obține uleiuri esențiale din plante este utilizarea distilării azeotrope. Folosind un antrenor, distilarea azeotropă poate obține mai multe uleiuri esențiale din plante decât distilarea tradițională cu abur. Aceasta înseamnă că uleiurile vor fi de calitate superioară și vor avea un randament mai mare. |
| Purificarea polimerilor | Distilarea azeotropă poate fi folosită pentru a îndepărta impuritățile din polimeri care le-ar putea modifica proprietățile sau cât de bine funcționează. De exemplu, distilarea azeotropă poate fi folosită pentru a curăța polistirenul eliminând orice monomeri rămase și alte impurități care ar putea schimba modul de funcționare a polimerului. |
| Producția farmaceutică | Distilarea azeotropă este adesea folosită pentru a separa și curăța amestecurile de reacție în timpul producției de produse farmaceutice. De exemplu, distilarea azeotropă poate fi utilizată pentru a separa și curăța amestecurile de reacție la fabricarea antibioticelor, rezultând produse de înaltă puritate. |
Concluzie
În concluzie, distilarea azeotropă este o modalitate utilă de a separa amestecurile complicate în părțile lor pure.
Este un instrument puternic pentru ingineri și oameni de știință datorită capacității sale unice de a produce rapid componente pure.
Dar, ca orice metodă de separare, are limitele sale și necesită o gândire atentă la compoziția amestecului, la alegerea antrenorului și la condițiile procesului pentru a funcționa bine.
Pe măsură ce continuați să analizați posibilitățile distilării azeotrope, rețineți că acest proces nu este doar o provocare tehnică, ci și o oportunitate pentru rezolvarea creativă a problemelor și idei noi.
Dacă te gândești la distilarea azeotropă în mod corect, aceasta poate duce la noi descoperiri și idei de inginerie.
Așa că păstrați mintea deschisă și încercați lucruri noi. Există o mulțime de opțiuni.
Distribuie pe…
