萃取精餾法分離乙腈-水體系

胡天余 郭瑞廣

（濮陽(yáng)同力水泥有限公司，河南 濮陽(yáng) 457000）

萃取精餾法分離乙腈-水體系

胡天余 郭瑞廣

（濮陽(yáng)同力水泥有限公司，河南 濮陽(yáng) 457000）

由于乙腈與水形成共沸物，普通的精餾方法無(wú)法分離這一混合物，本課題研究了采用萃取精餾法分離乙腈-水共沸物的工藝。根據(jù)萃取劑的總體選擇原則，針對(duì)該物系預(yù)選出一系列萃取劑，并利用化工過(guò)程模擬軟件Aspen Plus 11.1對(duì)萃取劑選擇最優(yōu)。

乙腈-水體系；萃取精餾；取劑；乙二醇；Aspen Plus 11.1

1 緒論

本文擬采用的方法是萃取精餾法。雖然前人對(duì)于萃取精餾法分離乙腈-水共沸物系已有所研究，但本文的特色是，主要通過(guò)利用化工過(guò)程模擬軟件Aspen Plus 11.1來(lái)對(duì)1，3-丙二醇、1，2-丙二醇、丙三醇、乙二醇、1，3-丁二醇、喹啉、嗎啉、二甲基亞砜、苯甲醇、環(huán)丁砜、2-吡咯烷酮、吡啶、苯胺等13種候選的進(jìn)行選擇，并重點(diǎn)探討了利用化工過(guò)程模擬軟件Aspen Plus 11.1來(lái)對(duì)主要操作參數(shù)如塔板數(shù)N、萃取劑進(jìn)口位置N1、原料進(jìn)口位置N2、溶劑比（即萃取劑與原料的流量之比）QS/QF、回流比R的優(yōu)化，最后提出了萃取精餾法分離乙腈-水物系的操作工藝。此種研究方法避免大量重復(fù)性的工作，減少了工作量，并節(jié)省了許多物力和人力，且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的操作工藝所得的最終產(chǎn)品乙腈純度可達(dá)99.87%（wt），基本符合HPLC級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，回收率可達(dá)83%之高，回收后的乙腈再經(jīng)過(guò)精密精餾后可以循環(huán)利用，增加經(jīng)濟(jì)效益。

2 萃取劑的選擇

2.1 選擇方法

萃取劑的選擇是萃取精餾的關(guān)鍵，關(guān)系到萃取精餾的難易，也是提高萃取生產(chǎn)能力和降低能耗的根本途徑[11～14]。工業(yè)生產(chǎn)中萃取劑選擇需要滿(mǎn)足如下條件[15]：沸點(diǎn)比被分離組分高得多，選擇性高，溶解能力大，與被分離物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不形成共沸組分，易于分離回收并能循環(huán)使用，價(jià)格低廉且易于得到等。

乙腈-水體系是強(qiáng)極性共沸物系，為了破壞其共沸點(diǎn)，必須引入強(qiáng)極性物質(zhì)才用可能。根據(jù)萃取精餾法中萃取劑的總體選擇原則及該物系本身特性，并通過(guò)文獻(xiàn)查閱及性質(zhì)的對(duì)比，預(yù)選出1，3-丙二醇、1，2-丙二醇、丙三醇、乙二醇、1，3-丁二醇、喹啉、嗎啉、二甲基亞砜、苯甲醇、環(huán)丁砜、2-吡咯烷酮、吡啶、苯胺等13種溶劑作為萃取劑。

2.2 萃取劑的模擬選擇

萃取精餾法分離乙腈-水物系的萃取塔的模擬流程圖如圖1所示：

萃取精餾過(guò)程操作參數(shù)的設(shè)定：乙腈-水物系組成60%（乙腈，wt）-40%（水，wt），壓強(qiáng)1 atm，溫度20℃，塔板數(shù)15，萃取精餾塔從上到下編號(hào)，萃取劑進(jìn)口位置為第4塊塔板，原料進(jìn)口位置為第8塊塔板，萃取劑流量400 kg/hr，原料流量100 kg/hr，塔頂餾出量50 kg/hr，回流比（mass）1.2；采用的熱力學(xué)模型為NRTL模型，其中的某些相互作用參數(shù)由UNIFAC模型估算。

在操作參數(shù)同等條件下，控制單一變量（萃取劑），用塔頂產(chǎn)品乙腈的含量來(lái)衡量各萃取劑的分離效果。

圖 1 萃取精餾模擬流程

乙二醇溶劑存在下，塔頂產(chǎn)品組成最高，可以達(dá)到98.35%，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以達(dá)到99.9%的標(biāo)準(zhǔn)。乙二醇溶劑效果最佳的原因可能是由于其分子極性較強(qiáng)，可與水分子以氫鍵相結(jié)合，所以能有效地改變乙醇對(duì)水的相對(duì)揮發(fā)度。乙二醇沸點(diǎn)較高（為197.2℃），密度比水略大，性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)腐蝕性；價(jià)格便宜，容易得到，可以作為分離乙腈—水共沸物系的有效溶劑。

3 優(yōu)化過(guò)程與結(jié)果

優(yōu)化的參數(shù)：塔板數(shù)N、萃取劑進(jìn)口位置N1、原料進(jìn)口位置N2、溶劑比QS/QF、回流比R；目標(biāo)函數(shù)均為塔頂產(chǎn)品組成X。

優(yōu)化方法：將乙二醇定為萃取精餾法分離乙腈-水物系的萃取劑，將其中一個(gè)操作參數(shù)設(shè)為變量，其他操作參數(shù)保持不變，在此基礎(chǔ)上，研究變量函數(shù)為何值時(shí)，能夠使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

4.1 在1atm、常溫下，乙二醇作為萃取劑可以消除乙腈-水共沸物系的共沸點(diǎn)，提高乙腈-水物系的相對(duì)揮發(fā)度。

4.2 由優(yōu)化結(jié)果可知：在1 atm、20℃下，以乙二醇為萃取劑進(jìn)行乙腈-水的萃取精餾操作時(shí)，操作參數(shù)宜設(shè)定為：塔板數(shù)12，萃取劑進(jìn)口位置為第3塊板，原料進(jìn)口位置為第9塊板，溶劑比為6:1，回流比（mass）為0.36。最終所得產(chǎn)品乙腈純度可達(dá)99.87%。

4.3 乙腈的回收率=塔頂產(chǎn)品乙腈的量/原料液中乙腈的量

即50×99.87%÷（100×60%）≈83%

4.4 若要使分離出水后的乙腈達(dá)到HPLC使用標(biāo)準(zhǔn)，還必須將里面的微量的水及非水組分進(jìn)行精密精餾分離，這將是本論文的后續(xù)工作內(nèi)容。

[1]穆光照.實(shí)用溶劑手冊(cè)[M].上海:上?？萍汲霭嫔纾?990.

[2]李忠杰.高純乙腈精制工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].石油化工，2001，30（10）：785-788.

[3]潘曉梅，楊志才，崔現(xiàn)寶，等.從乙腈水溶液中提純乙腈的新工藝[J].化學(xué)工程，2002，30（增刊）:334-337.

TQ226

A

1671-0037（2014）04-90-1