六甲基二硅烷-甲苯-水混合物的清潔分離工藝設(shè)計(jì)

林 義 蔣成君

（1.浙江新東港藥業(yè)股份有限公司，浙江 臺(tái)州 318000；2.浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

近年來(lái)，隨著醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展，頭孢類抗生素母體7-氨基去乙酰氧基頭孢烷酸（7-ADCA）、7-氨基頭孢烷酸（7-ACA），碳青霉烯中間體4-乙酰氧基-2-氮雜環(huán)丁酮（4AA）［1］在中國(guó)大量生產(chǎn)，在生產(chǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物六甲基二硅醚［2，3］，通常副產(chǎn)物六甲基二硅醚與溶劑甲苯以及少量的水混合在一起，形成共沸物，通過(guò)簡(jiǎn)單的方法無(wú)法分離這種混合物，而直接利用這種混合物在生產(chǎn)上存在一定的困難［4-7］。將副產(chǎn)物回收利用，對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的意義。本文利用Aspen plus對(duì)該混合物的分離過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，提出了一個(gè)零排放清潔分離工藝流程，可供實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)參考。

1 HMDO-甲苯-水三元混合物的熱力學(xué)分析

某制藥廠的HMDO-甲苯-水三元混合物的摩爾組成如下：HMDO35％，甲苯63％，水2％（本文所有組成及濃度除特別說(shuō)明外，均以摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)），這3種物質(zhì)的常壓沸點(diǎn)、熔點(diǎn)和密度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 HMDO、甲苯和水的物理性質(zhì)Tab.1 physical properity parameters of HMDO，toluene and water

從表1可以看出，HMDO與甲苯的沸點(diǎn)非常接近，采用普通精餾的方法，在一個(gè)塔中不能實(shí)現(xiàn)三種物質(zhì)的完全分離。通過(guò)Aspen plus計(jì)算剩余曲線（RCM），并對(duì)該體系的熱力學(xué)行為進(jìn)行分析。

圖1 HMDO-甲苯-水三元混合物的剩余曲線圖Fig1 RCM of HMDO-toluene-water

從HMDO-甲苯-水三元混合物的剩余曲線（RCM）（圖1）可以看出，HMDO-甲苯-水形成三元共沸物。計(jì)算不同組分的共沸點(diǎn)如表2所示。

表2 ASPEN PLUS計(jì)算的不同組份共沸點(diǎn)Tab.2 Azeotropic points of the differetnt components calculated by ASPEN PLUS

從表2中可以看出，在常壓下，HMDO與水和甲苯存在四個(gè)共沸體系，HMDO、水與甲苯三元共沸物的沸點(diǎn)為63.07℃，HMDO與水的共沸點(diǎn)為63.86℃，甲苯與水的共沸點(diǎn)為66.11℃，HMDO與甲苯的共沸點(diǎn)是98.82℃，無(wú)法通過(guò)普通的精餾方法將其分離。

2 HMDO-甲苯-水三元混合物的分離工藝

2.1 共沸精餾溶劑的選擇

ASPEN PLUS具有龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括大量的各種熱力學(xué)方程的二元交互作用參數(shù)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合強(qiáng)大的性質(zhì)估算能力和熱力學(xué)分析工具，可以計(jì)算溶劑加入后關(guān)鍵組分之間相對(duì)揮發(fā)度，確定比較適宜的溶劑。

參照二元低共沸混合物分離時(shí)夾帶劑的選擇原則進(jìn)行，即共沸劑應(yīng)該是一個(gè)低沸點(diǎn)組成或能形成新的二元或三元最低共沸物的組分［8］。選擇乙腈、甲醇、乙醇、丙酮、四氫呋喃5種溶劑作為考察對(duì)象。采用Aspen plus計(jì)算組分間的共沸參數(shù)如表3所示。

表3 ASPEN PLUS計(jì)算的不同組份共沸點(diǎn)Tab.3 Azeotropic points of the differetnt components calculated by ASPEN PLUS

從表3可以看出，乙腈與甲苯的共沸點(diǎn)為80.45℃，與HMDO也形成共沸，共沸點(diǎn)為67.59℃，甲醇、乙醇同樣與甲苯、HMDO形成共沸。在這些溶劑中僅僅丙酮、四氫呋喃沒(méi)有與甲苯形成共沸，丙酮與HMDO的共沸組成中，丙酮占10.1％，HMDO占89.9％，四氫呋喃與HMDO的共沸組成中，四氫呋喃占5.6％，HMDO占94.4％，丙酮的攜帶能力大于四氫呋喃，并且四氫呋喃的價(jià)格大于丙酮，故選丙酮為共沸劑。

2.2 HMDO-甲苯-水三元混合物的分離工藝

根據(jù)這個(gè)三元共沸物中兩個(gè)組分極性的差異和水溶性的差異，可以采取用水作萃取劑，將丙酮萃取出來(lái)，經(jīng)普通精餾可以得到丙酮和水純組分，水作為萃取劑循環(huán)使用；

最終得到的HMDO-甲苯-水這個(gè)非理想性極強(qiáng)的三元混合物的最終的清潔分離工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 分離過(guò)程流程圖Fig.2 Flow chart of the separation process

在HMDO-甲苯-水的混合物加入丙酮進(jìn)入精餾塔1，分離甲苯，甲苯從塔釜出料，共沸物HMDO-甲苯-丙酮從塔頂出，進(jìn)入萃取塔，加水萃取丙酮，分離HMDO，丙酮與水的混合液在精餾塔2中進(jìn)行分離，丙酮循環(huán)使用。

經(jīng)過(guò)sensitivity優(yōu)化后可以得到幾臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)化的工藝條件：共沸精餾塔共15塊理論板，第10塊板進(jìn)料，回流比為0.5，操作壓力為0.1MPa，第二塔的工藝條件為：20塊理論板，第16塊板進(jìn)料，回流比為3，操作壓力為0.1MPa。

表4 兩個(gè)精餾塔的主要操作參數(shù)Tab.4 Main operation parameters for rectifying towers in process

3 結(jié)論

以HMDO-甲苯-水三元混合物的熱力學(xué)分析為依據(jù)，建立了以共沸精餾和萃取為核心的清潔分離流程。Aspen plus計(jì)算結(jié)果表明，以丙酮為共沸溶劑，采用共沸精餾分離HMDO和水選擇性高，共沸物HMDO-水-丙酮可以通過(guò)水為萃取劑而簡(jiǎn)單的分離，水與丙酮可以簡(jiǎn)單的通過(guò)普通精餾的方法進(jìn)行分離，在整個(gè)分離過(guò)程中的共沸精餾溶劑和萃取劑水全部循環(huán)使用，沒(méi)有廢水廢液的排放，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。

［1］蔣成君，顏劍波，林義.一種4-乙酰氧基-2-氮雜環(huán)丁酮的合成工藝：CN，101407486［P］.2008-11-18.

［2］張寶華，史蘭香.副產(chǎn)六甲基二硅醚制備三甲基氯硅烷新技術(shù)［J］.河北工業(yè)科技，2007，24（2）：63-65.

［3］孫治榮，陳慶琰.利用頭孢氨芐廢液生產(chǎn)六甲基硅脲的研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，28（5）：112-115.

［4］池圣賢，樂(lè)道進(jìn)，龍林林，等.六甲基二硅烷的研究進(jìn)展［J］.有機(jī)硅材料，2007，21（4）：231-233.

［5］Wang M W.distillation process forrecovery of hexamethyl disloxane：US，4210496［P］.1980-07-1.

［6］Takeshi I，Masahiko S，Ikuzo T，et al.Method for purifying hexamethyl disloxane：US，4774346［P］.1988-09-27.

［7］HansJK，HansJV.Method forpurificationof hexamethyl disloxane：US，4370204［P］.1988-06-25.

［8］Claudia G A，Arturo J G.Method for the Design of Azeotropic Distillation Columns［J］.Ind.Eng.Chem.Res，2007，46：6635-6644.