در صنایع شیمیایی، تقطیر به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین روش‌های جداسازی اجزای مخلوط‌های مایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما در برخی موارد، مخلوط‌هایی وجود دارند که به دلیل ایجاد یک ترکیب پایدار با نقطه جوش ثابت به نام “آزئوتروپ”، با روش‌های معمول تقطیر قابل جداسازی نیستند. در این مواقع، تقطیر آزئوتروپیک به‌عنوان یک روش پیشرفته و کارآمد به کمک می‌آید.
تقطیر آزئوتروپیک یکی از روش‌های تخصصی در مهندسی شیمی است که برای جداسازی مخلوط‌هایی که به دلیل تشکیل آزئوتروپ نمی‌توانند از طریق تقطیر ساده جدا شوند، استفاده می‌شود. این مقاله به بررسی اصول، مکانیزم‌ها، انواع و کاربردهای فرآیند تقطیر آزئوتروپیک می‌پردازد و با استفاده از منابع غیرفارسی، نگاهی جامع به این فناوری ارائه می‌دهد. هدف ابرار صنعتی، ارائه توضیحی روشن و علمی در مورد این فرآیند و اهمیت آن در صنایع شیمیایی است.
تقطیر آزئوتروپیک چیست؟
تقطیر آزئوتروپیک (Azeotropic Distillation) روشی خاص از تقطیر است که برای جداسازی مخلوط‌هایی استفاده می‌شود که در شرایط عادی تقطیر به دلیل تشکیل آزئوتروپ (مخلوطی با نقطه جوش ثابت) نمی‌توان آن‌ها را به طور کامل تفکیک کرد. در چنین مخلوط‌هایی، اجزای موجود با یک نسبت مشخص بخار می‌شوند و در نتیجه، ترکیب بخار خروجی همانند مایع اولیه باقی می‌ماند.
برای غلبه بر این وضعیت، در تقطیر آزئوتروپیک یک ماده سوم به مخلوط اضافه می‌شود که به عنوان عامل شکست آزئوتروپ یا ماده شکسته‌ساز (Entrainer) شناخته می‌شود. این ماده با یکی از اجزا واکنش نمی‌دهد، اما باعث تغییر در تعادل بخار-مایع شده و نقطه جوش سیستم را به‌گونه‌ای تغییر می‌دهد که جداسازی ممکن می‌شود.
مکانیسم عملکرد تقطیر آزئوتروپیک
فرض کنید دو ماده A و B در یک آزئوتروپ قرار دارند. با اضافه کردن ماده سوم (C)، ممکن است یکی از این دو جزء (مثلاً A) ترکیب آزئوتروپی جدیدی با C تشکیل دهد. این ترکیب جدید دارای نقطه جوشی متفاوت خواهد بود که امکان جداسازی A از B را فراهم می‌کند.
در طراحی برج تقطیر آزئوتروپیک، به‌طور معمول بخشی برای اضافه کردن ماده سوم و بخشی برای بازیافت و بازچرخانی آن در نظر گرفته می‌شود. با این طراحی، سیستم می‌تواند به‌صورت پیوسته و با مصرف حداقلی ماده سوم کار کند.
جزئیات فرآیند تقطیر آزئوتروپیک
در تقطیر آزئوتروپیک، یک انتراینر به مخلوط اضافه می‌شود که با یکی از اجزای مخلوط آزئوتروپ جدیدی تشکیل می‌دهد. این آزئوتروپ جدید معمولاً نقطه جوش پایین‌تری دارد و به صورت ناهمگن (Heterogeneous) است، به این معنا که دو فاز مایع غیرقابل امتزاج تولید می‌کند. این ویژگی امکان جداسازی آسان‌تر را از طریق دکانتر فراهم می‌کند. برای مثال، در جداسازی مخلوط آب و اتانول، انتراینری مانند بنزن یا تولوئن اضافه می‌شود که با آب آزئوتروپ ناهمگن تشکیل می‌دهد. پس از تقطیر، فاز غنی از انتراینر به ستون بازگردانده می‌شود و فاز دیگر (معمولاً آب) جدا می‌گردد. فرآیند معمولاً شامل مراحل زیر است:
- افزودن انتراینر: انتراینر با دقت انتخاب می‌شود تا تعاملات مولکولی مخلوط را تغییر دهد و آزئوتروپ را حذف کند.
- تقطیر: مخلوط در ستون تقطیر گرم می‌شود و آزئوتروپ جدید به عنوان محصول بالایی (Overhead) خارج می‌شود.
- جداسازی فاز: در دکانتر، فازهای مایع جدا شده و انتراینر بازیافت می‌شود.
- بازیابی محصول: محصول خالص (مانند اتانول بدون آب) از پایین ستون جمع‌آوری می‌شود.
مثال رایج: جداسازی اتانول و آب
یکی از معروف‌ترین مثال‌های استفاده از تقطیر آزئوتروپیک، جداسازی اتانول از آب است. مخلوط اتانول و آب در حدود ۹۵/۶٪ اتانول، یک آزئوتروپ پایدار تشکیل می‌دهد که دیگر با تقطیر ساده قابل خالص‌سازی بیشتر نیست.
در این حالت، اضافه کردن ماده‌ای مانند بنزن یا سیکلوهگزان باعث تشکیل آزئوتروپ سه‌تایی می‌شود که دارای نقطه جوش پایین‌تری است. این ترکیب آزئوتروپی با بخار شدن، آب را از اتانول جدا کرده و در نتیجه، اتانول با خلوص بسیار بالا (حتی بالای ۹۹٪) به دست می‌آید.
تفاوت تقطیر آزئوتروپیک با تقطیر استخراجی
هر دو روش برای شکستن آزئوتروپ‌ها طراحی شده‌اند، اما تفاوت‌هایی دارند:
| ویژگی | تقطیر آزئوتروپیک | تقطیر استخراجی |
| ماده اضافه‌شده | معمولاً فرار و قابل تقطیر | غیر فرار یا با فراریت بسیار کم |
| نحوه عملکرد | تغییر نقطه جوش مخلوط | تغییر نسبی فراریت اجزا |
| طراحی برج | نیازمند سیستم بازیافت عامل سوم | طراحی ساده‌تر، بدون آزئوتروپ جدید |
کاربردهای تقطیر آزئوتروپیک در صنعت
تقطیر آزئوتروپیک در صنایع متعددی کاربرد دارد:
- صنایع داروسازی: برای خالص‌سازی الکل‌ها و حلال‌ها
- صنایع غذایی: تولید اتانول با خلوص بالا
- صنایع پتروشیمی: جداسازی ترکیباتی مانند الکل‌ها، کتون‌ها و استرها
- بازیافت حلال‌ها: در فرآیندهای صنعتی و آزمایشگاهی برای استفاده مجدد از مواد
نکات طراحی و بهینه‌سازی
در طراحی برج تقطیر آزئوتروپیک، نکات زیر اهمیت دارند:
- انتخاب صحیح ماده سوم: باید بی‌اثر، ارزان، بازیافت‌پذیر و ایمن باشد
- کنترل دقیق دما و فشار: برای جلوگیری از تشکیل آزئوتروپ‌های ناخواسته
- سیستم بازچرخانی ماده سوم: برای افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه
- شبیه‌سازی با نرم‌افزارهای مهندسی: مانند Aspen Plus برای بهینه‌سازی عملکرد و طراحی برج
منبع: ابرار صنعتی
