乙醇-乙腈共沸物系分離方法的研究

楊建發(fā)，曾小琴，王泳方，王克良，杜廷召

(1.六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552)

乙腈是一種重要的有機(jī)化工原料[1]，目前廣泛應(yīng)用于石油，藥物，涂料和香料行業(yè)，未來(lái)乙腈的產(chǎn)能和需求量將不斷擴(kuò)大[2]。乙腈和乙醇在常壓下形成共沸[3]，共沸溫度為72.97℃，共沸混合物中乙腈含量為42.37%[4-5]。

分離共沸體系一直是精餾工藝重點(diǎn)研究部分，本文以乙醇-乙腈混合物為研究對(duì)象，通過(guò)Aspen Plus軟件對(duì)該體系的氣液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，選出最優(yōu)的物性方法，同時(shí)論證其萃取精餾與變壓精餾的可行性。

1 物性方法選擇

本文分別使用Wilson、NRTL及UNIQUAC三種熱力學(xué)模型計(jì)算了乙醇-乙腈體系的氣液平衡數(shù)據(jù)，以Compostizo A等[5]所報(bào)道的為計(jì)算的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)乙醇-乙腈體系的相平衡氣相組成進(jìn)行計(jì)算，將其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，相應(yīng)的誤差分析見(jiàn)表1。綜合比較可知，Wilson模型平均誤差最小，因此模擬中選用Wilson熱力學(xué)模型。

表1 3種熱力學(xué)模型的誤差分析

2 萃取精餾可行性論述

2.1 萃取劑初選

本文綜合考慮了分子量、沸點(diǎn)、密度等性質(zhì)，初選環(huán)己醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、環(huán)丁砜4種常用萃取劑，其物理化學(xué)性質(zhì)列于表2中。

表2 不同萃取劑的性質(zhì)對(duì)比

2.2 相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)

為了得到最佳的萃取劑，本文利用化工過(guò)程模擬軟件Aspen Plus中的Analysis模塊進(jìn)行分析，分別用環(huán)己醇、DMF、NMP、環(huán)丁砜4種常見(jiàn)萃取劑對(duì)乙醇-乙腈體系全濃度范圍內(nèi)(摩爾分?jǐn)?shù))相對(duì)揮發(fā)度和選擇性的影響進(jìn)行考察，結(jié)果如表3和圖1所示。

表3 4種不同萃取劑對(duì)乙醇-乙腈相對(duì)揮發(fā)度和選擇性的影響

圖1 4種不同萃取劑對(duì)乙醇-乙腈相對(duì)揮發(fā)度的影響圖

Fig.1 The effect of four different extractants on the relative volatility of ethanol-acetonitrile

相對(duì)揮發(fā)度與1的偏離越大說(shuō)明被分離體系越易分離，從表3和圖1可以看出，4種萃取劑在乙醇-乙腈體系全濃度范圍內(nèi)均有大于1和小于1的部分，且對(duì)該體系的相對(duì)揮發(fā)度的影響十分近似，由此可知4種常見(jiàn)萃取劑均未消除此共沸體系的共沸點(diǎn)，因此此共沸體系可能不適用萃取精餾工藝進(jìn)行分離。

3 變壓精餾可行性的論述

本文通過(guò)化工流程模擬軟件Aspen Plus對(duì)乙醇-乙腈共沸物系進(jìn)行計(jì)算，考察了在不同壓力下乙醇-乙腈共沸物系的摩爾共沸組成，計(jì)算結(jié)果列于表4中。

表4 在不同壓力下乙醇-乙腈共沸物系的共沸組成(摩爾分?jǐn)?shù))

表4(續(xù))

由表4可以看出壓力的改變使得乙醇-乙腈體系的組成發(fā)生了顯著變化。由于在適當(dāng)壓力范圍內(nèi)，共沸組成變化高于 5%(x)的物系[6-7]，即可考慮采用變壓精餾的方法來(lái)分離。乙醇-乙腈共沸物系壓力從0.5atm變化至1.0atm時(shí)，共沸組成變化14%(x)左右，因此，變壓精餾工藝進(jìn)行分離是可行的。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用化工模擬軟件Aspen Plus對(duì)乙醇-乙腈體系的氣液平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，篩選出最優(yōu)的熱力學(xué)模型為Wilson。

(2)對(duì)乙醇-乙腈共沸體系的分離方法進(jìn)行研究，通過(guò)分析4種常見(jiàn)萃取劑的相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)和不同壓力下乙醇-乙腈共沸物系的摩爾共沸組成，得知變壓精餾比萃取精餾更適合分離乙醇-乙腈共沸體系。