Là một kỹ sư hoặc sinh viên kỹ thuật, bạn luôn tìm cách tách và tinh chế các hỗn hợp chất lỏng một cách nhanh chóng và dễ dàng.
Nhưng bạn có thể không biết về chưng cất azeotropic.
Quá trình này không chỉ tách các hỗn hợp mà còn có thể tạo ra các thành phần tinh khiết, điều khó có thể thực hiện được bằng các phương pháp chưng cất truyền thống.
Chưng cất đẳng phí là một quá trình phức tạp nhưng thú vị đã trở nên rất quan trọng trong ngành công nghiệp kỹ thuật và hóa chất.
Trong bài viết này, tôi sẽ giải thích cách thức hoạt động của quá trình chưng cất đẳng phí, cũng như những lợi ích, nhược điểm và cách sử dụng phổ biến của nó.
Với kiến thức này, bạn sẽ có thể đưa các kỹ thuật tách của mình lên một tầm cao mới.
Giới thiệu về Chưng cất Azeotropic
Định nghĩa chính thức:
Một quá trình trong đó hỗn hợp chất lỏng được tách thành các thành phần nguyên chất với sự trợ giúp của một chất bổ sung hoặc dung môi.
Chưng cất đẳng phí là một cách để tách các phần của hỗn hợp bằng cách tạo ra một hỗn hợp đẳng phí, là hỗn hợp của các phần sôi ở cùng nhiệt độ.
Không thể sử dụng phương pháp chưng cất để tách loại hỗn hợp này thành các phần của nó vì tất cả các phần đều có cùng một lượng hơi và chất lỏng.
Mặt khác, chưng cất chiết xuất là một cách tương tự để tách hỗn hợp, nhưng thay vì entrainer, nó sử dụng dung môi để tách hỗn hợp.
Chưng cất đẳng phí
Trong quá trình chưng cất đẳng phí, một bộ lọc được sử dụng để thay đổi mức độ dễ bay hơi của các phần khác nhau của hỗn hợp, giúp có thể tách chúng ra.
Bằng cách kết hợp một hoặc nhiều thành phần với entrainer, một azeotrope mới được tạo ra.
Có thể tách azeotrope mới này ra khỏi hỗn hợp ban đầu bằng cách chưng cất phân đoạn.
Entrainer thường là một phần của hỗn hợp có nhiệt độ sôi thấp và độ bay hơi tương đối cao so với các phần khác.
Nếu hỗn hợp tạo thành hỗn hợp đẳng phí sôi tối thiểu, tức là hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi thấp nhất, chất cuốn theo sẽ kết hợp với phần dễ bay hơi hơn của hỗn hợp ban đầu để tạo thành hỗn hợp đẳng phí.
Trong trường hợp này, hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi thấp nhất hình thành khi thêm chất cuốn vào sẽ bay hơi trước.
Đây được gọi là chưng cất.
Nếu không, nếu một hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi cực đại hình thành với chất cuốn theo, thì phần dễ bay hơi hơn của hỗn hợp ban đầu sẽ bay hơi trước.
Điều này giúp cho quá trình chưng cất phân đoạn có thể tách các phần của hỗn hợp ban đầu.
Chưng cất chiết xuất
Trong quá trình chưng cất chiết xuất, mỗi hỗn hợp phải sử dụng một dung môi tách khác nhau và các dung môi không được có xu hướng tạo thành hỗn hợp đẳng phí.
Dung môi làm thay đổi trạng thái cân bằng hơi-lỏng của hỗn hợp, giúp tách các phần ra.
Chưng cất chiết xuất có thể được sử dụng để tách các hỗn hợp có xu hướng tạo thành đẳng phí, điều này không thể thực hiện được với chưng cất đẳng phí.
Hỗn hợp sôi liên tục
Một hỗn hợp sôi ở tốc độ không đổi, còn được gọi là hỗn hợp "azeotropic", có tác dụng chưng cất phân đoạn các hỗn hợp kém lý tưởng (azeotropes).
Nếu Định luật Raoult bị phá vỡ theo hướng tích cực, nó sẽ tạo ra một đường cong áp suất hơi có giá trị cực đại không phải là A thuần túy hoặc B thuần túy.
Nếu những hỗn hợp này có nhiều hơi nước, điểm sôi của chúng sẽ thấp.
Các phân tử di chuyển xung quanh dễ dàng và chỉ riêng việc chưng cất phân đoạn là không đủ để thu được etanol nguyên chất vì nó vẫn còn nước và các tạp chất khác.
Nghệ thuật phân tách phức tạp: Khám phá quá trình chưng cất đẳng phí
Vẫn còn khó để có được và khó hiểu? Hãy để tôi thay đổi quan điểm một chút:
Bạn có cảm thấy mệt mỏi với các quy trình chưng cất nhàm chán cũ kỹ chỉ tách các hỗn hợp mà không thêm bất kỳ sự tinh tế nào không? Bạn có muốn làm cho các kỹ thuật phân tách của mình khó hơn và khó hiểu hơn mức cần thiết không? Vâng, tôi có câu trả lời cho bạn! Chưng cất đẳng phí là một quá trình tách đơn giản và biến nó thành một mê cung các chất và dung môi bổ sung.
Tại sao chỉ sử dụng một thứ để tách hỗn hợp khi bạn có thể sử dụng hai hoặc ba? Ai muốn đơn giản khi bạn có thể phức tạp? Chưng cất đẳng phí: Đôi khi, cách tốt nhất để làm sạch các bộ phận của bạn là làm cho quy trình càng phức tạp càng tốt.
OK, đó chỉ là một trò đùa ngụy trang dưới hình thức quảng cáo trên TV. Bây giờ chúng ta hãy quay lại phần giải thích.
Quá trình chưng cất Azeotropic
Chưng cất đẳng phí có rất nhiều lợi thế so với các cách khác để phân tách mọi thứ, chẳng hạn như mức độ dễ dàng tách thiết bị lọc và sản phẩm bạn muốn, mức độ dễ sử dụng, sử dụng ít năng lượng và mức giá rẻ.
Các loại người hướng dẫn
Đối với chưng cất azeotropic, có ba loại thiết bị lọc: đồng nhất, không đồng nhất và chiết xuất.
Chất cuốn đồng nhất có thể trộn với tất cả các thành phần của thức ăn, nhưng chất cuốn không đồng nhất tạo thành hai pha lỏng không thể trộn lẫn.
Entrainer khai thác không tạo ra một azeotrope với bất kỳ thành phần nguồn cấp dữ liệu nào.
Thay vào đó, họ chỉ loại bỏ các thành phần cực hơn hoặc ít cực hơn dựa trên độ phân cực của chúng.
Chưng cất đẳng phí đồng nhất và dị thể
Có hai loại chưng cất đẳng phí, được gọi là đồng nhất và không đồng nhất, phụ thuộc vào cách thức entrainer tương tác với hỗn hợp thức ăn.
Chưng cất đẳng phí đồng nhất dễ sử dụng và hiệu quả hơn chưng cất đẳng phí không đồng nhất vì chất cuốn theo có thể trộn với tất cả các thành phần trong nguyên liệu.
Mặt khác, quá trình chưng cất azeotropic không đồng nhất sử dụng một bộ lọc không thể trộn lẫn với bất kỳ bộ phận nào của hỗn hợp thức ăn.
Điều này có thể khiến cột bị hỏng với những thay đổi nhỏ về áp suất hoặc bình gạn ngừng hoạt động do rò rỉ nhỏ.
Vì vậy, nó bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi cách nó được vận hành hơn là chưng cất đẳng phí đồng nhất.
Hạn chế của chưng cất Azeotropic
Chưng cất đẳng phí có một số lợi ích, nhưng nó cũng có một số vấn đề.
Một số dung dịch cũng không thể được tách ra bằng cách chưng cất nếu chúng có đẳng phí ở trạng thái cân bằng hơi-lỏng.
Ngoài ra, việc lựa chọn tác nhân azeotropic có thể ảnh hưởng lớn đến quy trình và nếu không được xử lý đúng cách có thể gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra, sử dụng phương pháp chưng cất đẳng phí vẫn sử dụng nhiều năng lượng và có thể không phải lúc nào cũng tạo ra mức độ tinh khiết cần thiết cho các sản phẩm mục tiêu.
Các ứng dụng của chưng cất Azeotropic
Khử nước của Ethanol
Một trong những cách nổi tiếng nhất mà phương pháp chưng cất đẳng phí được sử dụng là loại bỏ nước khỏi hỗn hợp etanol và nước.
Hỗn hợp azeotropic đi đến cột cuối cùng, đây là nơi diễn ra quá trình chưng cất azeotropic.
Trong quá khứ, nhiều loại entrainer khác nhau đã được sử dụng cho việc này, nhưng benzen được sử dụng nhiều nhất cho đến khi nó được phát hiện là chất gây ung thư.
Hầu hết thời gian, cyclohexane được sử dụng để phá vỡ azeotrope ethanol-nước trong khoa học hiện đại.
Quá trình này rất quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất etanol nhiên liệu, nơi nước cần được loại bỏ khỏi etanol để giữ cho động cơ không bị hỏng hóc và tăng lượng etanol trong hỗn hợp nhiên liệu.
Chưng cất đẳng phí dị thể
Việc thêm một bộ lọc tạo ra một pha riêng biệt là một phần của tập hợp con các phương pháp chưng cất đẳng phí công nghiệp.
Tương tự như quá trình chưng cất chiết xuất, quá trình thêm chất cuốn theo để tạo ra một pha mới được gọi là quá trình cuốn theo.
Một cách phổ biến để sử dụng phương pháp này là trộn benzen với nước và etanol để tạo ra một hỗn hợp đẳng phí không đồng nhất mới có nhiệt độ sôi thấp hơn có thể được tách ra theo cách thông thường.
Phương pháp này đặc biệt hữu ích để loại bỏ các tạp chất trong dung môi hữu cơ, làm sạch tinh dầu và thu hồi hydrocacbon.
sử dụng khác
Chưng cất azeotropic có một số ứng dụng trong công nghiệp ngoài việc khử nước etanol và chưng cất azeotropic không đồng nhất, chẳng hạn như:
- Các chất đồng phân, có tính chất vật lý và hóa học gần như giống nhau, có thể được tách ra bằng cách chưng cất azeotropic.
- Chưng cất azeotropic được sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm, hóa chất và polyme để lấy lại dung môi từ dòng chất thải.
- Khí axit được lấy ra khỏi dòng khí tự nhiên bằng một quá trình gọi là chưng cất đẳng phí.
- Tách tinh dầu: Chưng cất azeotropic được sử dụng để tách và làm sạch tinh dầu khỏi chất thực vật.
- Loại bỏ nước khỏi dung môi: Chưng cất azeotropic được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm để loại bỏ nước khỏi dung môi.
Những thách thức trong chưng cất Azeotropic
Chưng cất azeotropic là một cách tốt để tách hỗn hợp azeotropic, nhưng nó đi kèm với một số thách thức phải được giải quyết để có được kết quả tốt nhất.
Lựa chọn huấn luyện viên:
Trong quá trình tổng hợp và thiết kế khái niệm của các quy trình AD, việc lựa chọn một người huấn luyện là rất quan trọng vì nó quyết định thứ tự phân tách.
Entrainer phải tạo thành một azeotrope mạnh với một trong các thành phần của hỗn hợp và dễ dàng tách ra khỏi sản phẩm bạn muốn.
Việc lựa chọn chất cuốn ảnh hưởng đến chất lượng và độ tinh khiết của sản phẩm, nếu sử dụng không đúng cách còn có thể gây ô nhiễm môi trường.
Hiệu ứng quá mức của Entrainer:
Việc thêm quá nhiều chất cuốn có thể làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, vì chất cuốn bổ sung phải được tách ra khỏi sản phẩm mong muốn.
Điều này có thể làm tăng chi phí sản xuất sản phẩm và cũng có thể làm giảm chất lượng của nó.
Trong một số trường hợp, lượng entrainer dư thừa có thể dẫn đến sự hình thành đẳng phí thứ ba, điều này có thể làm phức tạp quá trình phân tách.
Không đủ người hướng dẫn:
Nếu bạn sử dụng quá ít chất cuốn, sản phẩm có thể không được tách hoàn toàn hoặc có thể không được tinh khiết.
Vì vậy, trong quá trình chưng cất đẳng phí, lượng chất cuốn theo phải được tối ưu hóa để có thể đạt được mức độ phân tách và độ tinh khiết mong muốn với lượng năng lượng và chi phí ít nhất.
Làm thế nào Azeotropes được thực hiện:
Khi một entrainer thay đổi độ bay hơi tương đối của hỗn hợp azeotropic, nó tạo thành một hỗn hợp sôi tối đa hoặc sôi tối thiểu.
Việc thêm một chất cuốn vào có thể nâng cao hơn nữa độ tinh khiết của thành phần đẳng phí.
Nhưng nếu bạn chọn quá nhiều hoặc quá ít entrainer, nó có thể thay đổi hiệu quả của quá trình phân tách.
Sau điểm đẳng áp:
Có thể chưng cất hỗn hợp đẳng phí vượt quá điểm đẳng phí của nó, nhưng quy trình này sử dụng các kỹ thuật phân tách tốn nhiều chi phí thay thế như chưng cất dao động áp suất.
Thay vì cố gắng chưng cất qua điểm đẳng tích, điều quan trọng là phải tìm đúng lượng entrainer để có được sự phân tách tốt.
Chưng cất đẳng phí trong thực tế
Entrainers trong chưng cất Azeotropic
Bởi vì nó có thể tạo thành một hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi thấp với nước, nên benzen thường được sử dụng như một chất xúc tác trong quá trình chưng cất azeotrope.
Tuy nhiên, toluene tốt hơn benzen vì benzen có thể gây ung thư.
Một entrainer hoạt động tốt nếu nó có thể kết hợp với một trong các thành phần trong hỗn hợp thức ăn để tạo ra một azeotrope mới.
Điều này làm thay đổi tính không ổn định tương đối của các thành phần và có thể tách chúng ra.
Chất cuốn phải dễ dàng tách ra khỏi sản phẩm bạn muốn và bạn có thể lấy lại sản phẩm bằng cách chưng cất, gạn hoặc một số phương pháp khác.
Trong quá trình chưng cất azeotropic, ảnh hưởng của quá nhiều entrainer phụ thuộc vào hệ thống được sử dụng.
Khi thêm quá nhiều chất cuốn vào, lượng năng lượng sử dụng sẽ tăng lên vì chất cuốn thêm phải được tách ra khỏi sản phẩm mong muốn.
Điều này có thể làm tăng chi phí sản xuất sản phẩm và cũng có thể làm giảm chất lượng của nó.
Đôi khi, quá nhiều entrainer có thể gây ra một azeotrope thứ ba, điều này có thể làm cho quá trình tách khó khăn hơn.
Mặt khác, nếu bạn sử dụng quá ít chất cuốn, sản phẩm có thể không được tách hoàn toàn hoặc có thể không được tinh khiết.
Vì vậy, nên sử dụng lượng entrainer phù hợp để đạt được mức độ phân tách và độ tinh khiết cần thiết với ít năng lượng và chi phí nhất.
Dung môi eutectic sâu (DES) đang trở nên phổ biến hơn với tư cách là chất cuốn vào quá trình chưng cất azeotropic vì chúng tốt hơn cho môi trường so với dung môi truyền thống.
Các hỗn hợp azeotropic như benzen-cyclohexane và acetonitril-nước rất dễ tách bằng DES.
DES cũng có thể được sử dụng trong một kỹ thuật gọi là "chưng cất chiết xuất", tương tự như chưng cất và liên quan đến việc thêm dung môi để lấy một trong các phần của hỗn hợp thức ăn ra ngoài.
Chưng cất đẳng phí so với chưng cất hơi nước
Với phương pháp chưng cất hơi nước, các vật liệu nhạy cảm với nhiệt như các hợp chất thơm tự nhiên được tách ra khỏi các vật liệu hữu cơ.
Mặt khác, chưng cất azeotropic được sử dụng để tách các phần của hỗn hợp azeotropic.
Các hỗn hợp azeotropic khó tách bằng phương pháp chưng cất truyền thống vì điểm sôi của chúng không đổi và hơi giống như hỗn hợp lỏng.
Vì chưng cất hơi nước được sử dụng để tách các vật liệu nhạy cảm với nhiệt nên khó có thể nói nhiệt độ đẳng phí của nước và toluen là bao nhiêu.
Mặt khác, toluene và nước tạo thành một hỗn hợp đẳng phí ở 84,1°C được tạo thành từ 22,85% nước và 77,15% trọng lượng toluene.
Vì nó hoạt động giống như một hợp chất đơn lẻ nên hỗn hợp toluene và nước với thành phần này không thể được tách ra xa hơn bằng cách chưng cất đơn giản.
Bạn có thể tách hỗn hợp này bằng cách sử dụng phương pháp chưng cất đẳng phí bằng máy cuốn hoặc chưng cất chiết bằng dung môi.
Video: Chuyển vị và tách Azeotrope
Mẹo: Bật nút phụ đề nếu bạn cần. Chọn “dịch tự động” trong nút cài đặt, nếu bạn không quen với ngôn ngữ tiếng Anh. Bạn có thể cần nhấp vào ngôn ngữ của video trước khi ngôn ngữ yêu thích của bạn có sẵn để dịch.
Trường hợp sử dụng
| Được dùng trong: | Sự miêu tả: |
|---|---|
| nước tẩy rửa | Chưng cất đẳng phí thường được sử dụng để làm sạch nước, đặc biệt là trong ngành công nghiệp bán dẫn và điện tử, nơi cần nước siêu tinh khiết. Với sự trợ giúp của máy cuốn, quá trình chưng cất đẳng phí có thể tạo ra nước có rất ít tạp chất có thể được sử dụng trong các tình huống nhạy cảm. |
| Thu hồi dung môi | Chưng cất đẳng phí được sử dụng để tách dung môi ra khỏi hỗn hợp phản ứng. Điều này cho phép thu hồi và sử dụng lại các dung môi đắt tiền hoặc khó tìm. Ví dụ, chưng cất azeotropic có thể được sử dụng để tách etanol ra khỏi nước, sau đó có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc cho các mục đích công nghiệp khác. |
| chiết xuất tinh dầu | Một cách phổ biến để lấy tinh dầu từ thực vật là sử dụng phương pháp chưng cất azeotropic. Sử dụng máy chưng cất, phương pháp chưng cất azeotropic có thể thu được nhiều tinh dầu hơn từ thực vật so với phương pháp chưng cất hơi nước truyền thống. Điều này có nghĩa là các loại dầu sẽ có chất lượng cao hơn và năng suất cao hơn. |
| Tinh chế polyme | Chưng cất đẳng phí có thể được sử dụng để loại bỏ tạp chất khỏi polyme có thể thay đổi tính chất hoặc mức độ hoạt động của chúng. Ví dụ, chưng cất đẳng phí có thể được sử dụng để làm sạch polystyrene bằng cách loại bỏ mọi monome còn sót lại và các tạp chất khác có thể thay đổi cách thức hoạt động của polyme. |
| Sản xuất dược phẩm | Chưng cất đẳng phí thường được sử dụng để tách và làm sạch các hỗn hợp phản ứng trong quá trình sản xuất dược phẩm. Ví dụ, chưng cất đẳng phí có thể được sử dụng để tách và làm sạch các hỗn hợp phản ứng trong quá trình sản xuất thuốc kháng sinh, tạo ra các sản phẩm có độ tinh khiết cao. |
Phần kết luận
Tóm lại, chưng cất đẳng phí là một cách hữu ích để tách các hỗn hợp phức tạp thành các phần tinh khiết của chúng.
Nó là một công cụ mạnh mẽ cho các kỹ sư và nhà khoa học vì khả năng độc đáo của nó để tạo ra các thành phần tinh khiết một cách nhanh chóng.
Tuy nhiên, giống như bất kỳ phương pháp tách nào, nó cũng có giới hạn của nó và cần suy nghĩ cẩn thận về thành phần của hỗn hợp, lựa chọn chất cuốn và các điều kiện quy trình để hoạt động tốt.
Khi bạn tiếp tục xem xét các khả năng của quá trình chưng cất đẳng phí, hãy nhớ rằng quy trình này không chỉ là một thách thức kỹ thuật mà còn là cơ hội để giải quyết vấn đề một cách sáng tạo và đưa ra những ý tưởng mới.
Nếu bạn nghĩ đúng về phương pháp chưng cất đẳng phí, nó có thể dẫn đến những khám phá và ý tưởng kỹ thuật mới.
Vì vậy, hãy giữ một tâm trí cởi mở và thử những điều mới. Có rất nhiều lựa chọn.
Chia sẻ…
