乙醇-乙腈共沸物系分離方法的研究

楊建發，曾小琴，王泳方，王克良，杜廷召

(1.六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062552)

乙腈是一種重要的有機化工原料[1]，目前廣泛應用于石油，藥物，涂料和香料行業，未來乙腈的產能和需求量將不斷擴大[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研究部分，本文以乙醇-乙腈混合物為研究對象，通過Aspen Plus軟件對該體系的氣液相平衡數據進行計算，選出最優的物性方法，同時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三種熱力學模型計算了乙醇-乙腈體系的氣液平衡數據，以Compostizo A等[5]所報道的為計算的實驗數據，對乙醇-乙腈體系的相平衡氣相組成進行計算，將其與實驗數據進行對比，相應的誤差分析見表1。綜合比較可知，Wilson模型平均誤差最小，因此模擬中選用Wilson熱力學模型。

表1 3種熱力學模型的誤差分析

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、密度等性質，初選環己醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、環丁砜4種常用萃取劑，其物理化學性質列于表2中。

表2 不同萃取劑的性質對比

2.2 相對揮發度數據

為了得到最佳的萃取劑，本文利用化工過程模擬軟件Aspen Plus中的Analysis模塊進行分析，分別用環己醇、DMF、NMP、環丁砜4種常見萃取劑對乙醇-乙腈體系全濃度范圍內(摩爾分數)相對揮發度和選擇性的影響進行考察，結果如表3和圖1所示。

表3 4種不同萃取劑對乙醇-乙腈相對揮發度和選擇性的影響

圖1 4種不同萃取劑對乙醇-乙腈相對揮發度的影響圖

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

相對揮發度與1的偏離越大說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均有大于1和小于1的部分，且對該體系的相對揮發度的影響十分近似，由此可知4種常見萃取劑均未消除此共沸體系的共沸點，因此此共沸體系可能不適用萃取精餾工藝進行分離。

3 變壓精餾可行性的論述

本文通過化工流程模擬軟件Aspen Plus對乙醇-乙腈共沸物系進行計算，考察了在不同壓力下乙醇-乙腈共沸物系的摩爾共沸組成，計算結果列于表4中。

表4 在不同壓力下乙醇-乙腈共沸物系的共沸組成(摩爾分數)

表4(續)

由表4可以看出壓力的改變使得乙醇-乙腈體系的組成發生了顯著變化。由于在適當壓力范圍內，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分離。乙醇-乙腈共沸物系壓力從0.5atm變化至1.0atm時，共沸組成變化14%(x)左右，因此，變壓精餾工藝進行分離是可行的。

4 結論

(1)運用化工模擬軟件Aspen Plus對乙醇-乙腈體系的氣液平衡數據進行計算，篩選出最優的熱力學模型為Wilson。

(2)對乙醇-乙腈共沸體系的分離方法進行研究，通過分析4種常見萃取劑的相對揮發度數據和不同壓力下乙醇-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。