Будучи инженером или студентом инженерного факультета, вы всегда ищете способы быстрого и простого разделения и очистки жидких смесей.
Но вы можете не знать об азеотропной перегонке.
Этот процесс не только разделяет смеси, но также позволяет получать чистые компоненты, что сложно сделать с помощью традиционных методов дистилляции.
Азеотропная перегонка — сложный, но интересный процесс, получивший большое значение в машиностроении и химической промышленности.
В этой статье я объясню, как работает азеотропная дистилляция, а также ее преимущества, недостатки и распространенное применение.
Обладая этими знаниями, вы сможете вывести свои методы разделения на новый уровень.
Введение в азеотропную перегонку
Формальное определение:
Процесс разделения жидкой смеси на чистые компоненты с помощью дополнительного вещества или растворителя.
Азеотропная перегонка — это способ разделения частей смеси путем получения азеотропа, представляющего собой смесь частей, кипящую при одной и той же температуре.
Перегонку нельзя использовать для разделения такого рода смеси на части, потому что все части имеют одинаковое количество пара и жидкости.
Экстрактивная дистилляция, с другой стороны, представляет собой аналогичный способ разделения смесей, но вместо азеотропообразователя для разделения смесей используется растворитель.
Азеотропная дистилляция
При азеотропной перегонке азеотропный азеотроп используется для изменения летучести различных частей смеси, что позволяет их разделить.
Путем объединения одного или нескольких компонентов с азеотропом получается новый азеотроп.
Этот новый азеотроп можно отделить от исходной смеси фракционной перегонкой.
Анестезирующий агент обычно представляет собой часть смеси, которая имеет низкую температуру кипения и высокую относительную летучесть по сравнению с другими частями.
Eсли смесь образует азеотроп с минимальной температурой кипения, который является азеотропом с самой низкой температурой кипения, азеотроп соединяется с более летучей частью исходной смеси с образованием азеотропа.
В этом случае первым испаряется азеотроп с самой низкой температурой кипения, образующийся при добавлении азеотропа.
Это называется дистиллят.
В противном случае, если с азеотропом образуется азеотроп с максимальной температурой кипения, первой испарится более летучая часть исходной смеси.
Это дает возможность при фракционной перегонке разделить части исходной смеси.
Экстрактивная дистилляция
При экстрактивной перегонке в каждой смеси должен использоваться свой разделительный растворитель, и растворители не должны образовывать азеотроп.
Растворитель изменяет парожидкостное равновесие смеси, что позволяет разделить части.
Экстрактную перегонку можно использовать для разделения смесей, склонных к образованию азеотропов, что невозможно при азеотропной перегонке.
Cмеси с постоянным кипением
Cмесь, кипящая с постоянной скоростью, также называемая «азеотропной» смесью, оказывает влияние на фракционную перегонку неидеальных смесей (азеотропов).
Eсли закон Рауля нарушается в положительную сторону, он образует кривую давления пара с максимальным значением, которое не соответствует чистому А или чистому В.
Eсли в этих смесях много пара, их температуры кипения будут низкими.
Молекулы легко перемещаются, и одной фракционной перегонки недостаточно для получения чистого этанола, поскольку в нем все равно будет вода и другие примеси.
Искусство сложного разделения: изучение азеотропной дистилляции
Все еще трудно получить и трудно понять? Немного изменю точку зрения:
Вы устали от одних и тех же старых скучных процессов дистилляции, которые просто разделяют смеси без добавления каких-либо дополнительных изюминок? Вы хотите сделать свои методы разделения более сложными и запутанными, чем они должны быть? Что ж, у меня есть ответ для вас! Азеотропная дистилляция — это процесс, который требует простого разделения и превращает его в лабиринт дополнительных веществ и растворителей.
Зачем использовать только одну вещь для разделения смесей, когда можно использовать две или три? Кто хочет быть простым, когда можно быть сложным? Азеотропная дистилляция. Иногда лучший способ очистить детали — максимально усложнить процесс.
Хорошо, это была просто шутка, замаскированная под телевизионную рекламу. Теперь вернемся к объяснению.
Процесс азеотропной дистилляции
Азеотропная дистилляция имеет много преимуществ по сравнению с другими способами разделения, например, легкость разделения азеотропного агента и желаемого продукта, простота использования, малое энергопотребление и дешевизна.
Типы энтрейнеров
Для азеотропной перегонки используются три типа азеотропных агентов: гомогенные, гетерогенные и экстрактивные.
Гомогенные энтрейнеры могут смешиваться со всеми компонентами корма, а гетерогенные энтрейнеры образуют две жидкие фазы, которые не могут смешиваться.
Экстрактивные азеотропы не образуют азеотропа ни с одним из компонентов сырья.
Вместо этого они удаляют только более полярные или менее полярные компоненты в зависимости от их полярности.
Гомогенная и гетерогенная азеотропная перегонка
Cуществует два типа азеотропной перегонки, называемые гомогенной и гетерогенной, которые зависят от того, как азеотропный агент взаимодействует с исходной смесью.
Гомогенная азеотропная перегонка проще в использовании и более эффективна, чем гетерогенная азеотропная перегонка, поскольку азеотропная перегонка может смешиваться со всеми компонентами сырья.
Гетерогенная азеотропная дистилляция, с другой стороны, использует азеотропный агент, который не может смешиваться ни с одной из частей исходной смеси.
Это может привести к отказу колонны при небольших изменениях давления или остановке декантера при небольших утечках.
Таким образом, на него больше влияет способ его проведения, чем на гомогенную азеотропную дистилляцию.
Ограничения азеотропной перегонки
Азеотропная перегонка имеет некоторые преимущества, но также имеет и некоторые проблемы.
Некоторые растворы нельзя также разделить перегонкой, если они содержат азеотропы в состоянии равновесия пар-жидкость.
Кроме того, выбор азеотропного агента может иметь большое влияние на процесс и при неправильном обращении может загрязнить окружающую среду.
Кроме того, использование азеотропной перегонки по-прежнему требует много энергии и не всегда может обеспечивать уровень чистоты, необходимый для целевых продуктов.
Применение азеотропной дистилляции
Дегидратация этанола
Одним из наиболее известных способов использования азеотропной перегонки является удаление воды из смесей этанола и воды.
Азеотропная смесь поступает в последнюю колонну, где происходит азеотропная перегонка.
В прошлом для этого использовалось множество различных энтрейнеров, но чаще всего использовался бензол, пока не было обнаружено, что он вызывает рак.
Большую часть времени циклогексан используется для разрушения азеотропа этанол-вода в современной науке.
Этот процесс очень важен в производстве топливного этанола, где необходимо удалить воду из этанола, чтобы предотвратить поломку двигателей и увеличить количество этанола в топливных смесях.
Гетерогенная азеотропная дистилляция
Добавление азеотропного агента, образующего отдельную фазу, является частью подмножества промышленных методов азеотропной перегонки.
Подобно экстрактивной дистилляции, этот процесс добавления азеотропообразователя, образующего новую фазу, называется уносом.
Распространенным способом использования этого метода является смешивание бензола с водой и этанолом для получения нового гетерогенного азеотропа с более низкой температурой кипения, который можно разделить обычным способом.
Этот метод особенно полезен для избавления от примесей в органических растворителях, очистки эфирных масел и возврата углеводородов.
Другое использование
Помимо обезвоживания этанола и гетерогенной азеотропной перегонки, азеотропная перегонка имеет ряд применений в промышленности, например:
- Изомеры, обладающие практически одинаковыми физическими и химическими свойствами, можно разделить с помощью азеотропной перегонки.
- Азеотропная перегонка используется в фармацевтической, химической и полимерной промышленности для извлечения растворителей из потоков отходов.
- Кислые газы выделяют из потоков природного газа с помощью процесса, называемого азеотропной перегонкой.
- Отделение эфирных масел: азеотропная перегонка используется для отделения и очистки эфирных масел от растительных остатков.
- Удаление воды из растворителей: азеотропная перегонка используется в химической и фармацевтической промышленности для удаления воды из растворителей.
Проблемы азеотропной дистилляции
Азеотропная перегонка — хороший способ разделения азеотропных смесей, но при этом возникают некоторые проблемы, которые необходимо решить, чтобы получить наилучшие результаты.
Выбор ведущего:
При синтезе и концептуальном проектировании процессов АД выбор энтрейнера очень важен, поскольку он определяет порядок разделения.
Азеотроп должен образовывать прочную азеотропную смесь с одним из компонентов смеси и легко отделяться от желаемого продукта.
Выбор энтрейнера влияет на качество и чистоту продукта, а при неправильном использовании он также может загрязнять окружающую среду.
Эффекты Excess Entrainer:
Добавление избыточного количества азеотропообразователя может привести к увеличению потребления энергии, так как дополнительный азеотропообразователь необходимо отделить от целевого продукта.
Это может увеличить стоимость производства продукта, а также может снизить его качество.
В некоторых случаях избыток азеотропа может привести к образованию третьего азеотропа, что может затруднить процесс разделения.
Недостаточный энтрейнер:
Eсли вы используете слишком мало энтрейнера, продукт может быть не полностью отделен или может быть не таким чистым.
Таким образом, при азеотропной перегонке количество азеотропного агента следует оптимизировать таким образом, чтобы можно было достичь желаемого уровня разделения и чистоты с наименьшими затратами энергии и затрат.
Как производятся азеотропы:
Когда азеотропная смесь изменяет относительную летучесть азеотропной смеси, она образует азеотроп либо с максимальной, либо с минимальной точкой кипения.
Добавление азеотропного компонента может дополнительно повысить чистоту азеотропного компонента.
Но если вы выберете слишком много или слишком мало энтрейнера, это может изменить эффективность процесса разделения.
После азеотропной точки:
Возможна перегонка азеотропной смеси за пределы ее азеотропной точки, но в этом процессе используются альтернативные дорогостоящие методы разделения, такие как перегонка при переменном давлении.
Вместо того, чтобы пытаться перегонять выше азеотропной точки, важно найти правильное количество азеотропного агента, чтобы получить хорошее разделение.
Азеотропная дистилляция на практике
Энтренеры в азеотропной перегонке
Поскольку он может образовывать низкокипящий азеотроп с водой, бензол часто использовали в качестве азеотропа при перегонке азеотропа.
Однако толуол лучше бензола, потому что бензол может вызывать рак.
Азеотроп работает хорошо, если он может соединиться с одним из компонентов исходной смеси, образуя новый азеотроп.
Это изменяет относительную летучесть компонентов и дает возможность их разделения.
Интренер должен легко отделяться от нужного вам продукта, и вы можете получить его обратно перегонкой, декантацией или каким-либо другим методом.
При азеотропной перегонке эффект слишком большого количества азеотропообразователя зависит от используемой системы.
Когда добавляется слишком много энтрейнера, количество используемой энергии возрастает, потому что лишний энтренер должен быть отделен от желаемого продукта.
Это может увеличить стоимость производства продукта, а также может снизить его качество.
Иногда слишком большое количество азеотропа может вызвать образование третьего азеотропа, что может затруднить процесс разделения.
C другой стороны, если вы используете слишком мало энтрейнера, продукт может быть не полностью отделен или может быть не таким чистым.
Таким образом, необходимо использовать правильное количество энтрейнера, чтобы получить необходимый уровень разделения и чистоты с наименьшими затратами энергии и затрат.
Глубокие эвтектические растворители (DES) становятся все более популярными в качестве азеотропных азеотропных дистилляторов, потому что они лучше для окружающей среды, чем традиционные растворители.
Азеотропные смеси, такие как бензол-циклогексан и ацетонитрил-вода, легко разделяются с помощью ДЭC.
DES также можно использовать в методе, называемом «экстракционная дистилляция», который похож на дистилляцию и включает добавление растворителя для удаления одной из частей исходной смеси.
Азеотропная дистилляция по сравнению с паровой дистилляцией
C помощью паровой дистилляции термочувствительные материалы, такие как природные ароматические соединения, отделяются от органических материалов.
Азеотропная перегонка, с другой стороны, используется для разделения частей азеотропной смеси.
Азеотропные смеси трудно разделить с помощью традиционной дистилляции, потому что их точки кипения остаются такими же, а пары такие же, как и у жидкой смеси.
Поскольку перегонка с паром используется для разделения материалов, чувствительных к теплу, трудно сказать, какова азеотропная температура воды и толуола.
C другой стороны, толуол и вода образуют азеотропную смесь при 84,1°C, состоящую из 22,85 % воды и 77,15 мас. % толуола.
Поскольку он действует как единое соединение, смесь толуола и воды с таким составом не может быть далее разделена простой перегонкой.
Вы можете разделить эту смесь, используя азеотропную перегонку с азеотропом или экстрактивную перегонку с растворителем.
Видео: азеотропное вытеснение и разделение
Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с английским языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.
Cлучаи использования
| Используется в: | Описание: |
|---|---|
| Очистка воды | Азеотропная дистилляция часто используется для очистки воды, особенно в полупроводниковой и электронной промышленности, где требуется сверхчистая вода. C помощью азеотропной дистилляции можно получить воду с очень небольшим количеством примесей, которую можно использовать в чувствительных ситуациях. |
| Восстановление растворителя | Азеотропная перегонка используется для отделения растворителей от реакционных смесей. Это позволяет извлекать и снова использовать дорогие или труднодоступные растворители. Например, азеотропную перегонку можно использовать для отделения этанола от воды, которую затем можно использовать для производства биотоплива или для других промышленных целей. |
| Извлечение эфирного масла | Популярным способом получения эфирных масел из растений является использование азеотропной перегонки. При использовании азеотропной дистилляции из растений можно получить больше эфирных масел, чем при традиционной паровой дистилляции. Это означает, что масла будут более качественными и дают больший выход. |
| Очистка полимера | Азеотропную перегонку можно использовать для удаления из полимеров примесей, которые могут изменить их свойства или эффективность их работы. Например, азеотропную перегонку можно использовать для очистки полистирола, избавляясь от любых оставшихся мономеров и других примесей, которые могут изменить работу полимера. |
| Фармацевтическое производство | Азеотропная перегонка часто используется для разделения и очистки реакционных смесей при производстве фармацевтических препаратов. Например, азеотропную перегонку можно использовать для разделения и очистки реакционных смесей при производстве антибиотиков, что позволяет получать продукты высокой чистоты. |
Заключение
В заключение, азеотропная перегонка является полезным способом разделения сложных смесей на их чистые части.
Это мощный инструмент для инженеров и ученых из-за его уникальной способности быстро получать чистые компоненты.
Но, как и любой метод разделения, он имеет свои ограничения и требует тщательного рассмотрения состава смеси, выбора азеотропообразователя и условий процесса для обеспечения его хорошей работы.
Продолжая изучать возможности азеотропной дистилляции, помните, что этот процесс — не только техническая задача, но и возможность для творческого решения проблем и новых идей.
Eсли правильно подумать об азеотропной перегонке, это может привести к новым инженерным открытиям и идеям.
Так что будьте открытыми и пробуйте новые вещи. Eсть много вариантов.
Поделись…
