Azeotropisk Destillation: Separering Av Flytande Blandningar

Som ingenjör eller ingenjörsstudent letar du alltid efter sätt att separera och rena flytande blandningar som är snabba och enkla.

Men du kanske inte känner till azeotropisk destillation.

Denna process separerar inte bara blandningar, utan den kan också göra rena komponenter, vilket är svårt att göra med traditionella destillationsmetoder.

Azeotropisk destillation är en komplicerad men intressant process som har blivit mycket viktig inom verkstads- och kemisk industri.

I den här artikeln kommer jag att förklara hur azeotropisk destillation fungerar, såväl som dess fördelar, nackdelar och vanliga användningsområden.

Med denna kunskap kommer du att kunna ta dina separationstekniker till nästa nivå.

Introduktion till Azeotropic Destillation

Formell definition:

En process genom vilken en flytande blandning separeras i rena komponenter med hjälp av ytterligare ett ämne eller lösningsmedel.

Azeotropisk destillation är ett sätt att separera delarna av en blandning genom att göra en azeotrop, som är en blandning av delarna som kokar vid samma temperatur.

Destillation kan inte användas för att separera denna typ av blandning i sina delar eftersom alla delar har samma mängd ånga och vätska.

Extraktiv destillation, å andra sidan, är ett liknande sätt att separera blandningar, men istället för en entrainer, använder den ett lösningsmedel för att separera blandningarna.

Azeotropisk destillation

Vid azeotropisk destillation används en entrainer för att ändra hur flyktiga de olika delarna av blandningen är, vilket gör det möjligt att separera dem.

Genom att kombinera en eller flera av komponenterna med entrainern görs en ny azeotrop.

Denna nya azeotrop kan separeras från den ursprungliga blandningen genom fraktionerad destillation.

Entrainern är vanligtvis en del av blandningen som har en låg kokpunkt och en hög relativ flyktighet jämfört med de andra delarna.

Om blandningen bildar en minimumkokande azeotrop, vilket är den azeotrop med lägst kokpunkt, kommer medbringaren att kombineras med den mer flyktiga delen av den ursprungliga blandningen för att bilda en azeotrop.

I det här fallet avdunstar den azeotrop med den lägsta kokpunkten som bildas när medbringaren tillsätts först.

Detta kallas destillat.

Om inte, om en azeotrop med maximal kokpunkt bildas med medbringaren, kommer den mer flyktiga delen av den ursprungliga blandningen att avdunsta först.

Detta gör det möjligt för fraktionerad destillation att separera delarna av den ursprungliga blandningen.

Extraktiv destillation

Vid extraktiv destillation måste varje blandning använda ett annat separationslösningsmedel, och lösningsmedlen bör inte tendera att bilda en azeotrop.

Lösningsmedlet förändrar blandningens ång-vätskejämvikt, vilket gör det möjligt att separera delarna.

Extraktiv destillation kan användas för att separera blandningar som tenderar att bilda azeotroper, vilket inte är möjligt med azeotropisk destillation.

Ständigt kokande blandningar

En blandning som kokar med konstant hastighet, även kallad "azeotropisk" blandning, har effekter på fraktionerad destillation av mindre än idealiska blandningar (azeotroper).

Om Raoults lag bryts på ett positivt sätt gör den en ångtryckskurva med ett maxvärde som inte är rent A eller rent B.

Om dessa blandningar har mycket ånga blir deras kokpunkter låga.

Molekylerna rör sig lätt, och enbart fraktionerad destillation räcker inte för att få ren etanol eftersom det fortfarande kommer att ha vatten och andra föroreningar.

Konsten att komplicerade separationer: Utforska Azeotropic Destillation

Fortfarande svårt att få till och svårt att förstå? Låt mig ändra synvinkeln lite:

Är du trött på samma gamla tråkiga destillationsprocesser som bara separerar blandningar utan att tillföra någon extra känsla? Vill du göra dina separationstekniker svårare och mer förvirrande än de behöver vara? Tja, jag har svaret till dig! Azeotropisk destillation är en process som tar enkel separation och förvandlar den till en labyrint av extra ämnen och lösningsmedel.

Varför använda bara en sak för att separera blandningar när du kan använda två eller tre? Vem vill vara enkel när du kan vara komplicerad? Azeotropisk destillation: Ibland är det bästa sättet att rensa upp dina delar att göra processen så komplicerad som möjligt.

OK, det var bara ett skämt förklädd som en TV-reklam. Låt oss nu gå tillbaka till förklaringen.

Den azeotropiska destillationsprocessen

Azeotropisk destillation har många fördelar jämfört med andra sätt att separera saker, som hur lätt det är att separera entrainern och produkten du vill ha, hur lätt den är att använda, hur lite energi den använder och hur billig den är.

Typer av Entrainers

För azeotropisk destillation finns det tre typer av medbringare: homogena, heterogena och extraktiva.

Homogena entrainers kan blandas med alla foderkomponenter, men heterogena entrainers bildar två flytande faser som inte kan blandas.

Extraktiva medbringare gör inte en azeotrop med någon av foderkomponenterna.

Istället tar de bara bort de mer polära eller mindre polära komponenterna baserat på deras polaritet.

Homogen och heterogen Azeotropisk destillation

Det finns två typer av azeotropisk destillation, kallad homogen och heterogen, som beror på hur medbringaren interagerar med foderblandningen.

Homogen azeotrop destillation är lättare att använda och effektivare än heterogen azeotrop destillation eftersom medbringaren kan blandas med alla komponenterna i fodret.

Heterogen azeotrop destillation använder å andra sidan en entrainer som inte kan blandas med någon av foderblandningens delar.

Detta kan göra att kolonnen går sönder med små tryckförändringar eller att dekantern stängs av vid små läckor.

Så det påverkas mer av hur det körs än homogen azeotropisk destillation.

Begränsningar av Azeotropic Destillation

Azeotropisk destillation har vissa fördelar, men det har också vissa problem.

Vissa lösningar kan inte separeras lika bra genom destillation om de har azeotroper i sina ång-vätskejämviktstillstånd.

Dessutom kan valet av azeotropiskt medel ha stor effekt på processen och kan, om det inte hanteras på rätt sätt, förorena miljön.

Användning av azeotropisk destillation använder också fortfarande mycket energi, och det kanske inte alltid ger den renhetsnivå som krävs för målprodukterna.

Tillämpningar av Azeotropic Destillation

Uttorkning av etanol

Ett av de mest välkända sätten att azeotropisk destillation används är att avlägsna vatten från blandningar av etanol och vatten.

Den azeotropiska blandningen går till den sista kolumnen, vilket är där azeotropisk destillation sker.

Förr användes många olika medbringare för detta, men bensen användes mest tills det visade sig orsaka cancer.

För det mesta används cyklohexan för att bryta etanol-vattenazeotropen i modern vetenskap.

Denna process är mycket viktig i bränsleetanolindustrin, där vatten måste tas ut ur etanol för att förhindra att motorer går sönder och för att öka mängden etanol i bränsleblandningar.

Heterogen Azeotropic Destillation

Att lägga till en entrainer som gör en separat fas är en del av en undergrupp av industriella azeotropiska destillationsmetoder.

I likhet med extraktiv destillation kallas denna process att lägga till en entrainer som gör en ny fas entrainment.

Ett vanligt sätt att använda denna metod är att blanda bensen med vatten och etanol för att göra en ny heterogen azeotrop med lägre kokpunkt som kan separeras på vanligt sätt.

Denna metod är särskilt användbar för att bli av med orenheter i organiska lösningsmedel, rengöring av eteriska oljor och få tillbaka kolväten.

Andra användningsområden

Azeotropisk destillation har ett antal användningsområden inom industrin förutom dehydrering av etanol och heterogen azeotrop destillation, såsom:

• Isomerer, som har nästan samma fysikaliska och kemiska egenskaper, kan separeras med azeotropisk destillation.
• Azeotropisk destillation används inom läkemedels-, kemisk- och polymerindustrin för att få tillbaka lösningsmedel från avfallsströmmar.
• Sura gaser tas ut ur naturgasströmmar med en process som kallas azeotropisk destillation.
• Separation av eteriska oljor: Azeotropisk destillation används för att separera och rengöra eteriska oljor från växtmaterial.
• Avlägsnande av vatten från lösningsmedel: Azeotropisk destillation används inom den kemiska och farmaceutiska industrin för att avlägsna vatten från lösningsmedel.

Utmaningar i Azeotropic Destillation

Azeotropisk destillation är ett bra sätt att separera azeotropiska blandningar, men det kommer med vissa utmaningar som måste hanteras för att få bästa resultat.

Val av entrainer:

I syntesen och konceptuell design av AD-processer är valet av en entrainer mycket viktigt eftersom det bestämmer ordningen för separation.

Entrainern ska bilda en stark azeotrop med en av blandningens komponenter och vara lätt att separera från den produkt du önskar.

Valet av entrainer påverkar produktens kvalitet och renhet och om den inte används på rätt sätt kan den även förorena miljön.

Överflödiga Entrainers effekter:

Att tillsätta en överskottsmängd av entrainer kan orsaka en ökning av energiförbrukningen, eftersom den extra entrainern måste separeras från den önskade produkten.

Detta kan öka kostnaderna för att tillverka produkten och kan också sänka dess kvalitet.

I vissa fall kan ett överskott av entrainer leda till bildandet av en tredje azeotrop, vilket kan komplicera separationsprocessen.

Otillräcklig entrainer:

Om du använder för lite entrainer kanske produkten inte är helt separerad eller kanske inte lika ren.

Så vid azeotropisk destillation bör mängden medbringare optimeras så att önskad nivå av separation och renhet kan uppnås med minsta möjliga energi och kostnad.

Hur Azeotroper tillverkas:

När en entrainer ändrar den relativa flyktigheten hos en azeotrop blandning, bildar den antingen en maximalkokande eller minimumkokande azeotrop.

Att lägga till en entrainer kan ytterligare förbättra renheten hos en azeotrop komponent.

Men om du väljer för mycket eller för lite entrainer kan det förändra hur väl separationsprocessen fungerar.

Efter den azeotropiska punkten:

Destillering av en azeotrop blandning över dess azeotropa punkt är möjlig, men denna process använder alternativa kostnadskrävande separationstekniker som trycksvängningsdestillation.

Istället för att försöka destillera förbi den azeotropiska punkten är det viktigt att hitta rätt mängd medbringare för att få en bra separation.

Azeotropisk destillation i praktiken

Entrainers i Azeotropic Destillation

Eftersom det kan bilda en lågkokande azeotrop med vatten, användes bensen ofta som en entrainer vid azeotropdestillation.

Toluen är dock bättre än bensen, eftersom bensen kan orsaka cancer.

En entrainer fungerar bra om den kan kombineras med en av komponenterna i foderblandningen för att göra en ny azeotrop.

Detta förändrar komponenternas relativa flyktighet och gör det möjligt att separera dem.

Entrainern ska vara lätt att separera från den produkt du vill ha, och du kan få tillbaka den genom destillering, dekantering eller någon annan metod.

Vid azeotropisk destillation beror effekten av för mycket entrainer på vilket system som används.

När för mycket entrainer tillsätts ökar mängden energi som används eftersom den extra entrainern måste separeras från den önskade produkten.

Detta kan öka kostnaderna för att tillverka produkten och kan också sänka dess kvalitet.

Ibland kan för mycket entrainer orsaka att en tredje azeotrop bildas, vilket kan göra processen att separera svårare.

Å andra sidan, om du använder för lite entrainer kanske produkten inte är helt separerad eller kanske inte lika ren.

Så rätt mängd entrainer bör användas för att få den nivå av separation och renhet som behövs med minsta möjliga energi och kostnad.

Djupa eutektiska lösningsmedel (DES) blir mer populära som entrainer i azeotropisk destillation eftersom de är bättre för miljön än traditionella lösningsmedel.

Azeotropa blandningar som bensen-cyklohexan och acetonitril-vatten är lätta att separera med DES.

DES kan också användas i en teknik som kallas "extraktiv destillation", som liknar destillation och innebär att man tillsätter ett lösningsmedel för att få ut en av foderblandningens delar.

Azeotropisk destillation i jämförelse med ångdestillation

Med ångdestillation separeras värmekänsliga material som naturliga aromatiska föreningar från organiska material.

Azeotropisk destillation, å andra sidan, används för att separera delarna av en azeotrop blandning.

Blandningar som är azeotropa är svåra att separera med traditionell destillation eftersom deras kokpunkter förblir desamma och ångorna är desamma som vätskeblandningen.

Eftersom ångdestillation används för att separera material som är känsliga för värme, är det svårt att säga vad den azeotropiska temperaturen för vatten och toluen är.

Toluen och vatten bildar å andra sidan en azeotrop vid 84,1°C som består av 22,85 % vatten och 77,15 viktprocent toluen.

Eftersom det fungerar som en enda förening, kan en blandning av toluen och vatten med denna sammansättning inte separeras ytterligare genom enkel destillation.

Du kan separera denna blandning genom att använda azeotropisk destillation med en entrainer eller extraktiv destillation med ett lösningsmedel.

Video: Azeotrope förskjutning och separation

Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det engelska språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.

Användningsfall

Använd i:	Beskrivning:
Rengörande vatten	Azeotropisk destillation används ofta för att rena vatten, särskilt inom halvledar- och elektronikindustrin där ultrarent vatten behövs. Med hjälp av en entrainer kan azeotropisk destillation göra vatten med mycket få föroreningar som kan användas i känsliga situationer.
Återvinning av lösningsmedel	Azeotropisk destillation används för att separera lösningsmedel från reaktionsblandningar. Detta gör att dyra eller svåra att hitta lösningsmedel kan återvinnas och användas igen. Till exempel kan azeotropisk destillation användas för att separera etanol från vatten, som sedan kan användas för att tillverka biobränslen eller för andra industriella ändamål.
Extraktion av eterisk olja	Ett populärt sätt att få eteriska oljor från växter är att använda azeotropisk destillation. Med hjälp av en entrainer kan azeotropisk destillation få ut mer eteriska oljor från växter än traditionell ångdestillation. Det betyder att oljorna kommer att vara av högre kvalitet och ge mer.
Polymerrening	Azeotropisk destillation kan användas för att avlägsna föroreningar från polymerer som kan ändra deras egenskaper eller hur bra de fungerar. Till exempel kan azeotropisk destillation användas för att rengöra polystyren genom att bli av med eventuella överblivna monomerer och andra föroreningar som kan förändra hur polymeren fungerar.
Farmaceutisk produktion	Azeotropisk destillation används ofta för att separera och rengöra reaktionsblandningar under tillverkning av läkemedel. Till exempel kan azeotropisk destillation användas för att separera och rengöra reaktionsblandningar vid framställning av antibiotika, vilket resulterar i produkter med hög renhet.

Slutsats

Sammanfattningsvis är azeotropisk destillation ett användbart sätt att separera komplicerade blandningar i sina rena delar.

Det är ett kraftfullt verktyg för ingenjörer och forskare på grund av dess unika förmåga att snabbt göra rena komponenter.

Men, som alla separationsmetoder, har den sina begränsningar och kräver noggrann eftertanke om blandningens sammansättning, valet av entrainer och processförhållandena för att fungera bra.

När du fortsätter att undersöka möjligheterna med azeotropisk destillation, kom ihåg att denna process inte bara är en teknisk utmaning, utan också en möjlighet för kreativ problemlösning och nya idéer.

Om man tänker på azeotropisk destillation på rätt sätt kan det leda till nya tekniska upptäckter och idéer.

Så håll ett öppet sinne och prova nya saker. Det finns många alternativ.