In der Chemie bezeichnet die azeotrope Destillation [ 1 ] verschiedene Techniken zur Aufspaltung eines Azeotrops bei der Destillation . In der Verfahrenstechnik ist die azeotrope Destillation üblicherweise die spezielle Technik, bei der eine weitere Komponente zugegeben wird, um ein neues, niedriger siedendes, heterogenes Azeotrop zu erzeugen (z. B. zwei nicht mischbare flüssige Phasen), wie im folgenden Beispiel mit der Zugabe von Benzol zu Wasser und Ethanol.
Die Zugabe eines Schleppmittels, das eine separate Phase bildet, ist ein spezielles Teilgebiet der (industriellen) azeotropen Destillationsverfahren bzw. eine Kombination davon. In gewisser Hinsicht ähnelt die Zugabe eines Schleppmittels der Extraktivdestillation .
Materialtrennmittel
Die Zugabe eines Trennmittels, wie beispielsweise Benzol, zu einem Ethanol/Wasser-Gemisch verändert die molekularen Wechselwirkungen und hebt das Azeotrop auf. Die neue Komponente, die in der flüssigen Phase zugegeben wird, kann die Aktivitätskoeffizienten verschiedener Verbindungen auf unterschiedliche Weise verändern und somit die relative Flüchtigkeit des Gemisches beeinflussen. Stärkere Abweichungen vom Raoultschen Gesetz erleichtern es, durch die Zugabe einer weiteren Komponente signifikante Änderungen der relativen Flüchtigkeit zu erzielen. Bei der azeotropen Destillation entspricht die Flüchtigkeit der zugegebenen Komponente derjenigen des Gemisches, und es bildet sich aufgrund von Polaritätsunterschieden ein neues Azeotrop mit einer oder mehreren Komponenten. [ 2 ] Wird das Trennmittel so gewählt, dass es mit mehr als einer Komponente im Zulauf Azeotrope bildet, so wird es als Schleppmittel bezeichnet. Das zugegebene Schleppmittel sollte durch Destillation, Dekantieren oder ein anderes Trennverfahren zurückgewonnen und nahe dem Kopf der ursprünglichen Kolonne wieder zugeführt werden. [ 3 ]
Destillation von Ethanol/Wasser
Ein gängiges historisches Beispiel für die azeotrope Destillation ist ihre Anwendung zur Entwässerung von Ethanol - Wasser- Gemischen. Hierbei wird ein nahezu azeotropes Gemisch in die Endkolonne geleitet, wo die azeotrope Destillation stattfindet. Für dieses Verfahren können verschiedene Schleppmittel verwendet werden: Benzol , Pentan , Cyclohexan , Hexan , Heptan , Isooctan , Aceton und Diethylether sind mögliche Optionen. [ 2 ] Von diesen wurden Benzol und Cyclohexan am häufigsten verwendet, seit der Identifizierung von Benzol als krebserregend wird jedoch Toluol eingesetzt.
Druckwechseldestillation
Ein weiteres Verfahren, die Druckwechseldestillation , beruht auf der Tatsache, dass ein Azeotrop druckabhängig ist. Ein Azeotrop ist kein Konzentrationsbereich, der nicht destilliert werden kann, sondern der Punkt, an dem sich die Aktivitätskoeffizienten der Destillate schneiden. Kann das Azeotrop „übersprungen“ werden, kann die Destillation fortgesetzt werden, obwohl sich aufgrund des Schnittpunkts der Aktivitätskoeffizienten die siedende Komponente ändert. Beispielsweise siedet bei der Destillation von Ethanol und Wasser Wasser aus dem verbleibenden Ethanol, anstatt umgekehrt, wie bei niedrigeren Konzentrationen.
Insgesamt ist die Druckwechseldestillation ein sehr robustes und im Vergleich zu Mehrkomponentendestillation oder Membranverfahren weniger komplexes Verfahren, allerdings ist der Energiebedarf in der Regel höher. Auch die Investitionskosten für die Destillationskolonnen sind aufgrund des Drucks im Inneren der Behälter höher.
Molekularsiebe
Bei niedrigsiedenden Azeotropen ist eine vollständige Trennung der Komponenten durch Destillation unter Umständen nicht möglich, weshalb auf destillationsfreie Trennverfahren zurückgegriffen werden muss. Ein gängiges Verfahren ist die Verwendung von Molekularsieben . Diese können anschließend durch Trocknung im Vakuumofen regeneriert werden .
Ethanol kann durch Erhitzen von 3A-Molekularsieben wie 3A- Zeolith auf einen Alkoholgehalt von 99,999 % Vol. getrocknet werden . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
Dehydratisierungsreaktionen
In der organischen Chemie unterliegen einige Dehydratisierungsreaktionen ungünstigen, aber schnellen Gleichgewichten. Ein Beispiel ist die Bildung von Dioxolanen aus Aldehyden: [ 10 ]
- RCHO + (CH 2 OH) 2 RCH(OCH 2 ) 2 + H 2 O
Bei der Entfernung von Wasser durch azeotrope Destillation treten solche unerwünschten Reaktionen auf.
Siehe auch
Referenzen
- ^ Kister, Henry Z. (1992). Destillationsdesign (1. Aufl.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6Die
- ^ a b Kumar, Santosh; et al. (2010), „Wasserfreies Ethanol: Eine erneuerbare Energiequelle.“, Renewable and Sustainable Energy Reviews , doi : 10.1016/j.rser.2010.03.015
- ^ Treybal (1980). Massentransferprozesse (3. Aufl.). McGraw-Hill.
- ^ Williams, D., Bradley, G.; Lawton, Michelle (17.12.2010). „Trocknung organischer Lösungsmittel: Quantitative Bewertung der Effizienz verschiedener Trockenmittel“ . The Journal of Organic Chemistry . 75 (24): 8351–8354 . doi : 10.1021/jo101589h . ISSN 0022-3263 .
- ^ Carmo, MJ; Gubulin, JC (September 1997). „Ethanol-Wasser-Adsorption an kommerziellen 3A-Zeolithen: Kinetische und thermodynamische Daten“ . Brazilian Journal of Chemical Engineering . 14 (3). doi : 10.1590/S0104-66321997000300004 . ISSN 0104-6632 .
- ^ Burfield, David R.; Hefter, Glenn T.; Koh, Donald SP (1984). „Trocknungseffizienz bei der Trocknung von Lösungsmitteln und Reagenzien mittels Molekularsiebsäulentrocknung von 95%igem Ethanol: Eine Anwendung der Hygrometrie zur Bestimmung des Wassergehalts von Lösungsmitteln“. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. Chemical Technology . 34 (4): 187–194 . Bibcode : 1984JCTBC..34..187B . doi : 10.1002/jctb.5040340408 .
- ^ Simo, Marian; Sivashanmugam, Siddharth; Brown, Christopher J.; Hlavacek, Vladimir (21. Oktober 2009). „Adsorption/Desorption von Wasser und Ethanol an 3A-Zeolith in einem nahezu adiabatischen Festbett“. Industrial & Engineering Chemistry Research . 48 (20): 9247–9260 . doi : 10.1021/ie900446v .
- ^ Simo, Marian; Sivashanmugam, Siddharth; Brown, Christopher J.; Hlavacek, Vladimir (21. Oktober 2009). „Adsorption/Desorption von Wasser und Ethanol an 3A-Zeolith in einem nahezu adiabatischen Festbett“ . Industrial & Engineering Chemistry Research . 48 (20): 9247–9260 . doi : 10.1021/ie900446v .
- ^ Burfield, David R.; Hefter, Glenn T.; Koh, Donald SP (1984). „Trocknungseffizienz bei der Trocknung von Lösungsmitteln und Reagenzien mittels Molekularsiebsäulentrocknung von 95%igem Ethanol: Eine Anwendung der Hygrometrie zur Bestimmung des Wassergehalts im Lösungsmittel“ . Journal of Chemical Technology and Biotechnology. Chemical Technology . 34 (4): 187–194 . Bibcode : 1984JCTBC..34..187B . doi : 10.1002/jctb.5040340408 .
- ^ Wiberg, Kenneth B. (1960). Labortechniken in der organischen Chemie . McGraw-Hill-Reihe für fortgeschrittene Chemie. New York: McGraw Hill. ASIN B0007ENAMY .
