用填料塔將異丙醇連續共沸精餾脫水

胡湖生

（清華大學核能與新能源技術研究院，北京 102201）

異丙醇作為性能優良的溶劑和重要的化工原料，廣泛應用于醫藥、農藥和有機化工生產中，例如可作為除草劑異丙胺鹽的原料、還可作為農藥氯氰菊酯原藥轉化為高效氯氰菊酯的復合催化劑。然而，在異丙醇的生產過程中或從廢水中回收異丙醇時，存在著異丙醇脫水困難的問題，因為在常壓下、80.3℃時異丙醇與水形成恒沸物（含水12.6 wt%），故用普通精餾不能制取無水異丙醇，而必須用特殊精餾法如萃取精餾法[1-3]、精餾-吸附聯合工藝[4]，或間歇共沸精餾法[5-7]，其中萃取精餾比共沸精餾所需溫度高得多（萃取劑乙二醇的沸點高達197.3℃），如此高溫使萃取精餾塔和萃取劑回收塔的兩個再沸器負荷大，必引起能耗高和設備腐蝕等問題。傳統的異丙醇脫水是用苯作夾帶劑的共沸精餾[8-9]，然而苯被認為是致癌物，因此人們一直在尋找一種苯的替代物。目前，已研究了己烷[10]、環己烷[11]、乙醚[12-13]、二異丙醚[14]等，其中醚類易爆，而最有前途的還是環己烷。文獻[15]雖報道了用Aspen Plus軟件對異丙醇脫水的2塔與3塔流程進行了自動控制設計與模擬計算，但未見中試報道，尤其是連續共沸精餾異丙醇脫水未見文獻報道。本文用填料塔進行了連續共沸精餾異丙醇脫水實驗，系統研究了連續共沸精餾脫水的各影響因素，并用實驗比較了用三個和四個精餾塔（柱）處理含水50%的異丙醇模擬料液脫水制備無水異丙醇的工業化流程，實驗結果可為工業化脫水塔的設計、生產操作和控制提供依據。

1 實驗

1.1化學試劑

異丙醇：分析純，純度99.5%。環己烷：分析純，純度99.5%，異丙醇和環己烷都購買于國藥集團化學試劑有限公司，用氣相色譜檢測無雜峰。實驗用水為去離子水。

1.2 分析方法

異丙醇與環己烷用氣相色譜法分析。色譜儀型號：7890Ⅱ，配備N2000色譜工作站；不銹鋼色譜柱：PEG-20M，尺寸 Ф3×2000；色譜條件：N20.3 MPa，空氣 0.14 MPa，H20.1 MPa，柱溫50℃，進樣口150℃，FID檢測器溫度250℃。用內標工作曲線法定量[16]。

水分含量用卡爾費休試劑滴定法測定[17]，使用KF-Ⅱ型微量水分測定儀。

1.3 實驗方法

共沸精餾實驗用Ф20玻璃柱 （填充Ф3×3不銹鋼θ填料），其中提餾段填料高度1.5 m，精餾段0.3 m，實驗裝置見圖1。先用含水50%的異丙醇-水混合物作為模擬料液，按照普通精餾的方法（不加夾帶劑、回流比=2）預蒸餾，制得異丙醇-水二元恒沸物，此二元恒沸物將作為共沸塔的料液。然后在共沸精餾塔塔釜加入150 mL分析純異丙醇，在其塔頂分相器加入150 mL環己烷。加熱塔釜，待蒸汽到達塔頂后開啟回流泵，運行2 h后開始進料，并開始計時，在共沸精餾塔塔釜取樣（分析）。加入的環己烷作為夾帶劑，在共沸精餾塔內生成二元和三元恒沸物，實現異丙醇完全脫水。在共沸精餾塔頂得到二元、三元恒沸物，冷卻分相后得到的油層（主要為環己烷+異丙醇）回到共沸塔內循環使用，水層進入夾帶劑回收塔蒸餾得到異丙醇與環己烷混合物，返回分相器。在共沸精餾塔塔底釜得到無水異丙醇產品。

圖1共沸精餾裝置圖Fig.1 Apparatus of azeotropic distillation

2 結果與討論

2.1 共沸精餾塔的影響因素

先用普通精餾法預蒸餾處理含水50 wt%的異丙醇-水混合物，塔頂得到了二元異丙醇（87.4 wt%）-水（12.6 wt%）恒沸物，再以此二元混合物進行共沸精餾。共沸精餾塔塔頂氣相主要是三元恒沸物（異丙醇（1）-水（2）-環己烷（3）），冷凝、分相后油層返回共沸精餾塔，水層進入回收塔，從共沸塔塔釜獲得無水異丙醇產品。影響共沸精餾塔塔釜產品質量的因素主要有進料流速、進料位置、回流量（比）和塔釜溫度等。

2.1.1 進料流速

從圖2（a）可以看出，進料流量對塔底產品的含水量有很大的影響。當進料流量為10 mL·min-1、5 mL·min-1、2.6 mL·min-1時， 塔底產品含水分別為 5 wt%、3 wt%、0.7 wt%以上。從圖2（b）可以看出，當進料流量大于2.0 mL·min-1時，塔底產品中水分含量隨進料流速增大而顯著增大 （環己烷增加不多）；而當進料流量為小于或等于2.0 mL·min-1時，塔底產品中水和環己烷的含量可分別達到0.3 wt%和0.03 wt%以下。

2.1.2 進料位置

分別在圖1所示共沸精餾塔的C、D、E的位置進料（進料流速為1 mL/min），結果見圖3。可見，進料位置太高或太低時脫水效果都不佳，而最佳進料位置是D處（即提餾段填料高度占總填料高度的4/5）。這與逐板計算法計算的加料板位置基本一致。

2.1.3 回流比

在圖1所示共沸塔的D位置進料（進料流速為1 mL/min），采用不同的回流量（比）時，共沸精餾結果見圖4。可見，塔釜液相的水分含量隨回流比增大而減小；但當回流量大于7 mL·min-1（回流比：20）時液泛較嚴重，塔內傳質性能下降，反而使塔釜液相水分含量不合格，故最佳回流比為17（回流量是 6 mL·min-1）。

2.1.4 塔釜溫度

在一定的加熱功率、進料流速和回流比且不液泛的條件下，共沸塔釜的溫度是穩定的。長時間運行的實驗發現，與進料流速和回流比相比，塔釜加熱功率的變化更容易引起塔釜溫度的顯著變化，從而影響塔釜產品質量，實驗結果見圖5。可見，塔釜溫度的下降（至82℃以下），能引起環己烷濃度的顯著上升（使產品不合格），而水分濃度在80℃~83℃范圍內有下降趨勢，在小于79℃時開始上升。最佳塔釜溫度應控制在82℃~83℃。

2.1.5 共沸精餾脫水的難點

通過實驗發現，要在共沸精餾塔塔釜得到無水的異丙醇并不容易。在共沸精餾實驗中發現提餾段中環己烷含量與水含量是一對矛盾體，即塔底產品環己烷的含量越低，則水含量就越高。在較低的塔釜溫度（如75℃）下、控制進料流量為1 mL·min-1、回流比R2=20的條件下，其塔釜和塔頂餾出液成分見表1。由表1可知，在一個共沸精餾塔內很難得到水和環己烷都很低的高純度異丙醇產品。要在共沸精餾塔塔釜得到含水小于0.2 wt%的無水異丙醇，則環己烷必須有一定的過量（釜溫75℃下必須大于17 wt%），且塔釜環己烷的含量越高，則含水量越低。精餾8 h后，塔釜產品異丙醇純度仍只有83%。相反，若塔釜溫度高于83℃，則環己烷就不能達到塔釜或只能移動到塔釜上方填料層中某處，則塔釜中水分濃度就可能高于0.2 wt%（不合格）。只有在共沸塔的填料層足夠高且準確控制塔釜溫度（83℃）、進料流速（2 mL·min-1）和回流比（17）下，才有可能在塔釜得到水分和環己烷含量都合格的異丙醇產品。

因此，要得到高純度無水異丙醇，有兩個方案可供選擇：

（1）將上述共沸精餾塔塔釜產出的無水液體進一步精制，即送到一個精制精餾塔進一步精餾，使環己烷與異丙醇分離；

（2）增加上述共沸精餾塔提餾段的填料層高度，且精準控制進料流量與回流比。

2.2 四塔流程

采用上述方案（1）即四塔流程（圖6（a））進行了實驗。預蒸餾濃縮塔是一個普通精餾塔（T1），處理的是含水50 wt%的異丙醇-水混合物，當控制流量為10 mL·min-1、回流比R1為2時，塔頂得到了含水12.6 wt%的二元異丙醇-水恒沸物。以此二元恒沸物作為共沸精餾塔（T2）的進料。T2塔頂氣相主要是三元恒沸物，冷凝后進入分層器分為兩層，其中油層組成 （質量分數）：ω1=0.273，ω2=0.023，ω3=0.704;水層組成（質量分數）：ω1=0.483，ω2=0.507，ω3=0.011。油層返回 T2塔頂，水層進入回收塔（T3），從T3塔頂得到的環己烷與異丙醇混合物返回分層器。

圖2 進料流量對共沸精餾塔（T2）塔底產品質量的影響Fig.2 Effects of feeding flow velocity on the H2O content in product from azeotropic distillation column（T2）still

圖3進料位置對共沸精餾塔（T2）塔底產品質量的影響(H：總填料高度)Fig.3 Effects of（a）the feeding position on the H2O content in product from azeotropic distillation column （T2 ） still（H：total height of packing）

當控制T2塔釜溫度為75℃時，釜液環己烷有一定的過量（環己烷含量大于17 wt%），T2塔底得到含水小于0.2 wt%的無水異丙醇-環己烷混合物（見表 1），此液進入異丙醇精制塔（T4）精制。T4是一個普通精餾塔，在進料流量為1.6～3.2 mL·min-1、控制回流比 R4=5、塔釜溫度 83℃條件下，T4的塔頂與塔底流出液體的成分見表2。可見，T4的塔釜能得到含環己烷小于0.1 wt%、含水小于0.2 wt%的高純度無水異丙醇，且運行穩定。

由此分離程度可算出填料等板高度為97 mm。

2.3 三塔流程

采用方案（2）即三塔流程（圖6（b））進行了實驗。T1塔頂產出的異丙醇-水二元恒沸物作為共沸精餾塔T2的進料。 T2的塔釜先加入無水異丙醇 150 mL，T2的進料流量為 1.0～16 mL·min-1、控制回流流量6 mL·min-1的條件下，T2塔底流出液體的成分見表3。塔頂分相器內得到上層（油層）含水2.5 wt%、環己烷70.4 wt%；下層（水層）含水68.0 wt%、環己烷1.1 wt%。可見，運行6 h后T2的塔釜能得到含環己烷和水都很低（小于0.1 wt%）的高純度無水異丙醇。因此，只要T2的進料流量、塔釜溫度與回流比控制準確，也可獲得合格的產品，且系統運行穩定。

圖4 回流比對共沸精餾塔（T2）塔底產品質量的影響Fig.4 Effects of the reflux ratio on H2O content in product from azeotropic distillation column （T2） still

圖5 塔釜溫度對共沸精餾塔（T2）塔底產品質量的影響Fig.5 Effects of the still temperature of azeotropic distillation column （T2） on composition of product

由此分離程度可算出填料等板高度為88

mm，與方案（1）相近（略小）。

表1 共沸精餾塔（T2）塔釜流出液成分（質量分數ω)Table 1 The composition(mass fraction ω)of effluent from azeotropic distillation column （T2） still

表2 精制精餾塔（T4）塔頂與塔釜流出液成分（質量分數ω）Table 2 The composition （mass fraction ω） of effluent from refining distillation column （T4）bottom and top respectively

圖6 多塔流程Fig.6 Flow sheets of multi-distillation columns

通過實驗發現，夾帶劑環己烷從T2帶出水的能力非常有限，一旦因加料過快或其他原因使T2塔釜進了較多的水，則水份很難被蒸出。例如，若共沸塔塔釜水分含量達到1 wt%~2 wt%，則需要在停止進料的條件下間歇精餾約2 h，方可使水分降低至0.2 wt%以下 （見圖7），這就會影響生產的連續性。這是此流程方案的缺點。

圖7共沸塔塔釜除水操作Fig.7 Removal water from the still of azeotropic distillation column

2.4 兩種流程的比較

兩種方案的對比：方案（1）制備高純度異丙醇分兩步走，先使共沸精餾塔（T2）適當過量環己烷，保證塔底產品的水分含量小于0.1%，再在精制塔（T4）內將環己烷與異丙醇分離，得到含環己烷和水都小于0.1%的高純度異丙醇，這樣只要控制T2塔釜溫度在較大范圍內（75℃~82℃）即可，故操作彈性大、且可實現連續穩定生產。缺點是需給共沸精餾塔配置一個精制塔，投資比方案（2）多一個塔。對于方案（2），可省去一個精制塔（節能約139 kWh/t產品），但操作不易控制，一旦操作不當，當共沸精餾塔塔釜內進入較多水分 （如1 wt%）時，水分很難通過連續精餾排出（蒸出），只有在停止進料下間歇精餾約2 h才能將水分蒸出。雖然向釜內加入過量環己烷 （或釜溫低于82℃時引起環己烷下移至塔釜）有可能排出水分，但排出水分與排出過量的環己烷也需要較長的時間，這樣就影響了共沸精餾塔的正常的連續生產運行。所以，第（2）方案適用于自控條件好的企業，而第（1）方案適用于以手工控制為主的工廠。

表3共沸精餾塔（T2）塔釜流出液成分（質量分數ω)Table 3 The composition(mass fraction ω)of effluent from azeotropic distillation column （T2） still

3 結論

（1）異丙醇脫水的連續共沸精餾的最佳工藝條件是：進料位置在提餾段填料高度占總填料高度的4/5或稍高之處，塔釜溫度控制在82℃~8 3 ℃，進料流速為 1~2 mL·min-1，回流比為 17。

（2）連續共沸精餾法異丙醇脫水生產無水異丙醇可有3塔流程和4塔流程兩個方案，兩個方案都能獲得水分含量（小于0.2%）和環己烷含量（小于0.1%）都很低的高純度異丙醇產品。

（3）兩個方案各有特點。3塔流程雖比4塔流程可省去一個塔的投資，且可節能139 kWh/t IPA，但對共沸塔的進料流速、回流比、塔釜溫度的自動控制要求嚴格，特別是共沸塔塔釜溫度必須控在82℃~83℃內，才能使雜質水分和環己烷含量都小于0.2 wt%。4塔流程方案的共沸精餾塔塔釜溫度可控制在較低而較大范圍（75℃~80℃）內、使環己烷過量一些，可保證釜液中水分完全脫除，而在下游的精制塔塔釜獲得合格的高純度無水異丙醇產品，因而操作彈性大。故3塔流程適用于自動化控制條件好的大企業，而4塔流程更適用于以手工操作和控制為主的中小企業。

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