萃取精餾分離醋酸甲脂-甲醇共沸體系的研究

顏 濤，羅 仙，林 柱，王克良，連明磊，葉 昆

(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)石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司，河北 任丘 062552)

醋酸甲酯是一種沒有顏色的液態(tài)易燃物，具有芳香氣味，能在大多數(shù)有機(jī)溶劑里溶解[1]。廣泛用于醫(yī)藥、涂料、工業(yè)制乙醇[2]、膠粘劑、食品等行業(yè)，還可用作油脂的萃取劑，聚氨酯泡沫發(fā)泡劑，天那水等[3]。當(dāng)生產(chǎn)聚乙烯醇樹脂時(shí)，大量醋酸甲酯-甲醇形成二元共沸物，其經(jīng)受水解，共沸蒸餾，普通蒸餾和萃取，進(jìn)入由聚乙烯醇縮醛產(chǎn)生的廢液中，用于回收甲醇和乙酸甲酯的一系列操作[1]。目前業(yè)內(nèi)用于分離乙酸甲酯-甲醇的共沸物主要是以水為萃取劑[4]，由于甲基化醋酸甲酯純度較低，難以達(dá)到直接應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，趙林秀[5]等人曾采用加鹽萃取精餾的方法分離醋酸甲酯-甲醇的二元恒沸物。用來測(cè)定醋酸甲酯-甲醇體系在不同萃取劑和鹽存在下的相對(duì)揮發(fā)度。萃取精餾具有操作靈活性高、能耗低、回收率高等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

本文主要應(yīng)用ASPEN PLUS 軟件對(duì)醋酸甲酯-甲酯體系的萃取精餾過程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過Analysis 和Radfrac模塊，用相對(duì)揮發(fā)度和分離效果分析，篩選出最佳的催化劑，并用靈敏度分析工具得到萃取精餾塔和萃取劑再生塔的最優(yōu)工藝參數(shù)和最佳的分離結(jié)果。

1 萃取劑的選擇

1.1 萃取劑初選

本文綜合考慮了分子量、沸點(diǎn)、密度等性質(zhì)，初選二甲基亞砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基乙酰胺(NMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)4種常用萃取劑，其物理性質(zhì)列于表1中。

表1 不同萃取劑的物理性質(zhì)對(duì)比

1.2 相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)

為了得到最佳的萃取劑，本文利用化工過程模擬軟件Aspen Plus中的Analysis模塊進(jìn)行分析，分別用二甲基亞砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基乙酰胺(NMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)4種常見萃取劑對(duì)醋酸甲脂-甲醇體系全濃度范圍內(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，物性方法選NRTL模型，結(jié)果如表2所示。

表2 4種不同萃取劑對(duì)醋酸甲脂-甲醇相對(duì)揮發(fā)度和選擇性的影響

相對(duì)揮發(fā)度與1的偏離越大說明被分離體系越易分離，從表2可以看出，二甲基亞砜對(duì)醋酸甲脂-甲醇共沸體系的選擇性明顯高于其它萃取劑，從醋酸甲脂的全濃度區(qū)間相對(duì)揮發(fā)度的數(shù)值均大于1可以看出，二甲基亞砜的引入已消除了醋酸甲脂-甲醇體系的共沸點(diǎn)。

1.3 不同萃取劑分離效果比選

利用化工過程模擬軟件中Aspen Plus中的Radfrac模塊進(jìn)行分析，在相同操作條件下分別用二甲基亞砜等4種常見萃取劑對(duì)醋酸甲脂-甲醇體系的分離效果進(jìn)行模擬與比較。模擬條件見表3，模擬結(jié)果見表4。

表3 萃取精餾塔的模擬條件參數(shù)

表4 4種不同萃取劑的模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可知4種萃取劑的分離效果順序?yàn)椋憾谆鶃嗧?N,N-二甲基乙酰胺>N-甲基乙酰胺>N,N-二甲基甲酰胺。

1.4 萃取劑選擇結(jié)果

對(duì)相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)和分離效果分析可知，二甲基亞砜為最佳萃取劑選擇。

2 工藝流程優(yōu)化

2.1 工藝流程

醋酸甲脂-甲醇體系萃取精餾工藝流程如圖1所示。原料為醋酸甲脂和甲醇的混合液，萃取劑為二甲基亞砜，該工藝獲得高純度的醋酸甲脂和甲醇產(chǎn)品，萃取劑二甲基亞砜循環(huán)利用。

圖1 醋酸甲脂-甲醇體系萃取精餾工藝流程

2.2 全塔理論板數(shù)對(duì)萃取精餾塔分離效果的影響

本文考察了不同全塔理論板數(shù)對(duì)精餾塔的分離效果的影響，計(jì)算結(jié)果列于表5中，其中XD表示塔頂醋酸甲脂的質(zhì)量純度(%)，XW表示塔底醋酸甲脂的質(zhì)量純度(%)。

表5 全塔理論板數(shù)的影響

表5(續(xù))

從表5中可以看出：醋酸甲脂的純度隨塔板數(shù)的增加而提高，當(dāng)塔板數(shù)大于37時(shí)，醋酸甲脂的純度不再變化。由于塔板數(shù)的增加會(huì)增加設(shè)備的制造成本，因此，全塔理論板數(shù)選37塊較為合理。

2.3 溶劑比對(duì)萃取精餾塔分離效果的影響

本文考察了不同溶劑比(萃取劑與原料進(jìn)料的物質(zhì)的量比)對(duì)精餾塔的分離效果的影響，計(jì)算結(jié)果列于表6中。

表6 溶劑比的影響

從表6中可以看出：塔頂醋酸甲脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溶劑比的增加而增大，當(dāng)溶劑比為3.8時(shí)，醋酸甲脂的純度已達(dá)到99.9%。由于過高的溶劑比會(huì)增加能耗和生產(chǎn)成本，因此，溶劑比選為3.8較合理。

2.4 回流比(物質(zhì)的量)對(duì)萃取精餾塔分離效果的影響

本文考察了不同物質(zhì)的量回流比對(duì)精餾塔的分離效果的影響，計(jì)算結(jié)果列于表7中。

表7 回流比的影響

從表7中可以看出：塔頂醋酸甲脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨回流比的增加而增大，當(dāng)回流比大于1.7時(shí)，醋酸甲脂的純度不再變化。因此，回流比選1.7較為合理。

2.5 原料進(jìn)料位置對(duì)萃取精餾塔分離效果的影響

本文考察了不同原料進(jìn)料板數(shù)對(duì)精餾塔的分離效果的影響，計(jì)算結(jié)果列于表8中。

表8 原料進(jìn)料位置的影響

從表8中可以看出：原料在第25塊塔板進(jìn)料時(shí)，醋酸甲脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到99.85%，大于或小于第25塊塔板，醋酸甲脂的純度或持平或下降，因此，原料進(jìn)料位置選第25塊較為合理。

2.6 萃取劑進(jìn)料位置對(duì)萃取精餾塔分離效果的影響

本文考察了不同萃取劑進(jìn)料板數(shù)對(duì)精餾塔的分離效果的影響，計(jì)算結(jié)果列于表9中。

表9 萃取劑進(jìn)料位置的影響

從表9中可以看出：萃取劑在第3塊塔板進(jìn)料時(shí)，醋酸甲脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到99.85%，大于或小于第3塊塔板，醋酸甲脂的純度均有所下降，因此，萃取劑進(jìn)料位置選第3塊較為合理。

2.7 萃取劑再生塔的模擬條件與結(jié)果

本文同時(shí)利用靈敏度分析工具對(duì)萃取劑再生塔進(jìn)行了考察，確定了最佳工藝參數(shù)，詳見表10。

表10 萃取劑再生塔的最佳工藝參數(shù)

2.8 全流程的模擬結(jié)果

表11 全流程的模擬結(jié)果

在以上優(yōu)化的工藝與操作條件下，全流程的模擬結(jié)果如表11所示。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用化工模擬軟件Aspen Plus中的Analysis功能和Radfrac模塊，對(duì)不同萃取劑進(jìn)行相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)和分離效果進(jìn)行分析，篩選出合適的萃取劑為二甲基亞砜。

(2)運(yùn)用靈敏度分析工具得到最佳的工藝和操作條件，在此條件下，醋酸甲脂的分離效果達(dá)99.9%，甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.9%，萃取劑的補(bǔ)充量為0.01239 kmol/h。

參考文獻(xiàn)

[1]蓋麗芳,尚會(huì)建,彭麗敏,等.高純度醋酸甲酯精制新工藝[J].河北工業(yè)科技,2007,24(1):19-20.

[2]謝 璇.醋酸甲酯加氫制乙醇的研究[D].上海:上海師范大學(xué),2013.

[3]高樹藩,吳長(zhǎng)美,徐 殯.醋酸甲酯生產(chǎn)、應(yīng)用與開發(fā)前景[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,1998(2):1-2.

[4]呂英杰,李艷娟.醋酸甲酯-甲醇萃取精餾分離的模擬與優(yōu)化[J].化工設(shè)計(jì),2014,24(2):3-5,11.

[5]趙林秀,王小燕,崔建蘭,等.加鹽萃取精餾分離醋酸甲酯-甲醇二元恒沸物[J].石油化工,2005,34(2):144-147.

[6]宋海華.精餾模擬[M].大津:天津大學(xué)出版社,1994.

[7]王克良,李 靜,黃 禹,等.離子液體萃取精餾分離乙醇和2-丁酮共沸體系的過程模擬[J].現(xiàn)代化工,2017,37(5):185-188.