萃取精餾分離乙醇-異丙醇體系的實(shí)驗(yàn)研究

楊 霞，李桂明，李 崇，張力擎，王 博

（天津天大天海化工新技術(shù)有限公司，天津 300384）

異丙醇是一種重要的有機(jī)化工原材料，在化學(xué)化工中應(yīng)用廣泛[1]：作為溶劑或者萃取劑用于油墨、涂料和制藥化工中；作為化學(xué)中間體用于生產(chǎn)異丙胺、異丙醚及一些酯類(lèi)中；還可用于電子工業(yè)清洗劑、汽車(chē)防凍劑、消毒劑、洗滌用品及日化用品等領(lǐng)域。異丙醇的年消耗量巨大，產(chǎn)生的廢液多以異丙醇和乙醇的形式存在。乙醇和異丙醇沸點(diǎn)差僅為4℃，用普通的精餾方法難以將實(shí)現(xiàn)兩者分離。本研究考察用萃取精餾法來(lái)分離異丙醇-乙醇體系。

萃取精餾技術(shù)分離的原理是向兩元體系中加入第三組分來(lái)改變相對(duì)揮發(fā)度，使得其中一種組分形成蒸汽從另一種難以揮發(fā)的組分中分離出來(lái)[2]。萃取精餾適用于沸點(diǎn)相近或者共沸體系。目前萃取精餾分離法研究乙醇-水共沸體系和異丙醇-水共沸體系的較多：高建等[3]針對(duì)乙醇-水體系中萃取劑的選擇問(wèn)題進(jìn)行了綜述說(shuō)明，可以為萃取精餾法分離其他共沸體系中萃取劑的選擇提供參考。乙二醇是萃取精餾中常用的溶劑，袁旭宏等[4]利用乙二醇純?nèi)軇┘耙叶己湍承o(wú)機(jī)鹽組成的混合溶劑對(duì)乙醇-水體系進(jìn)行萃取精餾分離實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，雖然復(fù)配體系乙二醇+氫氧化鉀的混合溶劑有利于乙醇-水體系的分離且耗能低，但是對(duì)設(shè)備的防腐性能要求高。朱曉明等[5]采用甘油作萃取劑，并基于NRTL模型利用Aspen Plus軟件對(duì)水-異丙醇共沸體系進(jìn)行萃取精餾過(guò)程模擬研究，發(fā)現(xiàn)異丙醇分離后質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了99.90%，回收率為99.33%，甘油可以破除水/異丙醇的恒沸物，并顯示出了良好的分離性能。華超課題組[6]利用乙二醇為萃取劑，通過(guò)間歇萃取精餾分離異丙醇和水的共沸物，為間歇萃取精餾在工業(yè)上應(yīng)用提供了指導(dǎo)作用。

目前利用萃取精餾分離乙醇-異丙醇體系的研究較少。本研究將乙二醇和甘油作為萃取劑，用于萃取精餾實(shí)驗(yàn)分離乙醇-異丙醇體系并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)初探，得出主要參數(shù)與產(chǎn)品純度之間的關(guān)系，為乙醇-異丙醇體系的分離性能提供一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在間歇萃取精餾塔中進(jìn)行，如圖1所示；塔高3m，塔徑為50mm，塔內(nèi)裝θ環(huán)填料。塔釜采用電加熱，用調(diào)壓器調(diào)節(jié)釜溫和氣化速率，塔頂為循環(huán)式冷凝器，塔頂蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后部分回流，采用回流比控制器控制回流比。

圖1 萃取精餾裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)中所用的原料均為分析純。乙醇，甘油：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。異丙醇，乙二醇：麥克林試劑公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析條件

安捷倫7820氣相色譜儀[安捷倫科技（中國(guó)）有限公司]，色譜柱：HP-1，50m×0.25mm×0.5μm。色譜分析條件：柱溫初始35℃，保留時(shí)間5min；以5℃/min升溫至200℃，保留時(shí)間10min；FID檢測(cè)器為氫火焰檢測(cè)器，溫度300℃；進(jìn)樣室溫度200℃；分流比100∶1；載氣為氮?dú)狻＿M(jìn)樣量為0.2μL。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

將乙醇和異丙醇以3∶7的比例投入塔釜中，加熱至回流，在全回流狀態(tài)下使塔內(nèi)建立穩(wěn)定的濃度梯度。從塔頂加入萃取劑，穩(wěn)定一定時(shí)間后，采出并分析物料組成。本研究主要考察萃取劑不變情況下溶劑比、回流比等對(duì)萃取精餾過(guò)程的影響。因?yàn)橐掖嫉姆悬c(diǎn)略低于異丙醇，故塔頂先餾出乙醇。塔頂餾出液中乙醇的含量越高，說(shuō)明越有利于萃取精餾，分離效果越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘油為萃取劑時(shí)的萃取精餾分離效果

2.1.1 溶劑比對(duì)萃取精餾分離效果的影響

實(shí)驗(yàn)中保持回流比8∶1不變，改變?nèi)軇┍龋ㄝ腿┖退敾亓饕旱馁|(zhì)量比），對(duì)分離效果的影響，如表1所示。

表1 溶劑比對(duì)分離效果的影響

通過(guò)表1可知，甘油作為萃取劑萃取精餾分離乙醇-異丙醇體系時(shí)能夠提高產(chǎn)品的分離效果。隨著溶劑比的增加，餾出液中乙醇的含量逐漸增高，即分離效果越好。這是因?yàn)殡S著萃取劑在塔板上的增多，增大了乙醇/異丙醇的相對(duì)揮發(fā)度，有利于兩者的分離，因此溶劑比越大，分離效果越好。故可以根據(jù)餾出物產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度來(lái)考察分離效果的影響，以此選擇合適的溶劑比，避免能耗過(guò)大以及溶劑的循環(huán)量加大后續(xù)工序的處理量。

2.1.2 回流比對(duì)萃取精餾分離效果的影響

實(shí)驗(yàn)中保持溶劑比不變，改變回流比，對(duì)萃取精餾分離效果的影響如表2所示。

表2 回流比對(duì)分離效果的影響

回流比在精餾操作中是一個(gè)重要的參數(shù)，不但影響產(chǎn)品純度，還影響著產(chǎn)品的采出速率和操作的時(shí)間[6]，從而影響著溶劑用量和能耗。通過(guò)表2可知，隨著回流比的增大，餾出液中乙醇的濃度也在不斷增加，即分離效果變好。但是值得注意的是當(dāng)回流比過(guò)大時(shí)，餾出物料的量會(huì)相對(duì)減少，這樣會(huì)使得能耗能加，不利于實(shí)際生產(chǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的回流比。

2.2 乙二醇為萃取劑時(shí)的萃取精餾分離效果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程及條件控制同2.1，乙二醇為萃取劑時(shí)的萃取精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 乙二醇做萃取劑時(shí)萃取精餾實(shí)驗(yàn)分離效果

通過(guò)表3所知，當(dāng)乙二醇作萃取劑時(shí)，萃取精餾分離乙醇-異丙醇體系時(shí)能夠提高產(chǎn)品的分離效果。當(dāng)溶劑比不變時(shí)，隨著回流比的增加，餾出液中乙醇的含量也不斷增加，即分離效果變好；當(dāng)回流比不變時(shí)，隨著溶劑比的增加，餾出液中乙醇含量也在增加，即分離效果也在不斷增加。總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)乙二醇作萃取劑時(shí)，萃取精餾實(shí)驗(yàn)分離乙醇和異丙醇，是有分離效果的。但是與甘油比較，甘油作萃取劑時(shí)效果更明顯。

2.3 乙二醇和甘油混合液作萃取劑時(shí)的萃取精餾分離效果

因?yàn)楦视宛ざ容^大，為了增大流動(dòng)性，將甘油與乙二醇體積比2∶1混合，進(jìn)行萃取精餾實(shí)驗(yàn)研究。保持回流比不變，考察溶劑比對(duì)萃取精餾分離效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 乙二醇與甘油混合液作萃取劑時(shí)萃取精餾實(shí)驗(yàn)分離效果

通過(guò)表4可知，當(dāng)乙二醇和甘油混合液為萃取劑時(shí)，對(duì)乙醇和異丙醇混合液是有分離效果的：當(dāng)回流比不變時(shí)，隨著溶劑比的增加，餾出液中乙醇的含量不斷增加。但是相比于甘油作萃取劑，分離效果較差。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)乙醇和異丙醇混合液的分離，選擇適宜萃取劑，萃取精餾是一種可行的工藝，具體結(jié)論如下：①甘油、乙二醇和甘油與乙二醇混合液作為萃取劑時(shí)，通過(guò)萃取精餾實(shí)驗(yàn)分離乙醇和異丙醇混合液，甘油的分離效果最好。②改變?nèi)軇┍群突亓鞅龋軌蛴绊懸掖己彤惐嫉姆蛛x效果：固定溶劑比不變，回流比越大，分離效果越好；當(dāng)回流比不變時(shí)，隨著溶劑比的增加，分離效果變好。