減壓精餾分離乙醇與異丙醇二元混合物*

曹裕清，李志中，王施芹，肖 楊

（中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

乙醇和異丙醇結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相似，兩者均為易燃低毒、無色透明的液體，良好的有機(jī)溶劑，主要用作有機(jī)合成原料、化學(xué)溶劑、抗凍劑和汽油添加劑。異丙醇還可以作為替代乙醚-乙醇混合溶劑作測定植物油脂酸價(jià)的溶劑[1]。在氣相環(huán)境中存在的乙醇和異丙醇經(jīng)吸附后需要將兩者分離[2]，一些化工產(chǎn)品和生物制品生產(chǎn)過程中需要引入乙醇和異丙醇[3]，在后處理過程也需要對這兩者形成的混合物進(jìn)行分離。乙醇的沸點(diǎn)78.5℃（折射率1.3614），異丙醇沸點(diǎn)82.5℃（折射率1.3772），沸點(diǎn)相差僅4℃，利用普通精餾很難將二者分離，減壓精餾可以增大混合物相對揮發(fā)度，利于分離，在工業(yè)分離中應(yīng)用廣泛[4,5]。對乙醇和異丙醇二元混合物的分離，目前，尚無文獻(xiàn)報(bào)道，本文實(shí)驗(yàn)探索減壓精餾分離二者混合物，以期為工業(yè)化提供有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

乙醇（A.R.國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；異丙醇，（A.R.天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

WYA阿貝折射儀（上海光學(xué)儀器廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

在如圖1所示的精餾裝置中進(jìn)行乙醇-異丙醇的分離，塔頂另接有真空油泵。實(shí)驗(yàn)流程為：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程簡圖Fig.1 Experimental device flow diagram

（1）溶液的配制 將混合物中乙醇摩爾分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成體積比，按一定體積比配制混合溶液約300mL，注入精餾釜中。

（2）開啟電源，以真空度為700mmHg汞柱、乙醇摩爾分?jǐn)?shù)為0.3，水浴溫度為54℃（回流量適宜）3min全回流液滴總數(shù)為基準(zhǔn)，當(dāng)條件改變時(shí)，通過調(diào)節(jié)水浴溫度使3min全回流液滴總數(shù)與基準(zhǔn)相等。

（3）全回流1.5 h后，保持控制鎦出液的旋塞全開，結(jié)合（2），使回流比固定。

（4）在固定回流比下回流5min后開始收集塔頂餾分液1～2 mL，用阿貝折射儀測其折光率，帶入工作曲線，可得乙醇摩爾分?jǐn)?shù)，進(jìn)而求得乙醇摩爾分?jǐn)?shù)的提高量。

1.3 純度分析

用移液管準(zhǔn)確量取乙醇與異丙醇體積分別為 0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1、10∶0的混合溶液各 10 mL（后轉(zhuǎn)換成乙醇摩爾分?jǐn)?shù)），用接有恒溫水浴的阿貝折射儀測其在25℃時(shí)折光率，將乙醇組成與折光率繪制成工作曲線見圖2，數(shù)據(jù)線性相關(guān)性為99.53%，因變量與自變量線性關(guān)系良好，表明可以用溶液折光率來反算乙醇的濃度。

圖2 工作曲線Fig.2 Curve of work

2 結(jié)果與討論

影響乙醇與異丙醇減壓分離的因素較多，大致有真空度、進(jìn)料流量、回流比、填料以及乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，間歇反應(yīng)器很難實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測量和回流比的重復(fù)操作，因此，本實(shí)驗(yàn)通過采用相同的流量和回流比，以間歇反應(yīng)器模擬，考察了真空度、填料和乙醇摩爾分?jǐn)?shù)三因素，鑒于各因素有可能有交互作用，本實(shí)驗(yàn)借鑒三水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)典數(shù)據(jù)處理，同時(shí)考察因素間所有的一級交互作用的正交實(shí)驗(yàn)（注：由于版面限制，本實(shí)驗(yàn)采用的L27（3^13）正交表中空白列未列出）。

2.1 正交實(shí)驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)因素水平的選取方法[6]，綜合實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)如表1所示的因素和水平。其中填料選用了φ3mm石英球、φ4×10mm陶瓷拉西環(huán)、金屬螺旋彈簧柱1×5mm等3種填料。

表1 因素與水平Tab.1 Factors and level

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

以混合物中乙醇摩爾分?jǐn)?shù)提高值作為評價(jià)指標(biāo)，在不同因素與水平下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3。從表2、3中可以看出，3個(gè)影響因素中影響程度最大的是乙醇摩爾分?jǐn)?shù)，其次是填料、最后是真空度。結(jié)合交互作用影響，本實(shí)驗(yàn)考察的要素中從主到次依次為B（乙醇摩爾分?jǐn)?shù)）、C（填料）、BC（乙醇摩爾分?jǐn)?shù)與填料的交互）、AB（真空度與乙醇摩爾分?jǐn)?shù)的交互）、AC（填料與真空度交互）、A（真空度），其中A和AC交互對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)無顯著影響。

最佳組合為真空度700mmHg、乙醇摩爾分?jǐn)?shù)為0.5、金屬彈簧柱填料，乙醇摩爾分?jǐn)?shù)提高了0.3600，最高組成達(dá)到0.8600。

對于填料來講其作用就是增大的汽液兩相之間的接觸面積，強(qiáng)化相間物質(zhì)傳遞，金屬螺旋彈簧柱填料比石英球和陶瓷拉西環(huán)更能提供較多的接觸界面，所以更能起到分離作用。

降低壓力能夠拉大難揮發(fā)組分與易揮發(fā)組分之間的揮發(fā)度差異，增加相對揮發(fā)度，所以真空度增加后，體系更易分離，產(chǎn)物純度提高。關(guān)于真空度既然能拉大難揮發(fā)組分與易揮發(fā)組分之間的揮發(fā)度差異，但對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)無顯著影響的原因，還有待進(jìn)一步研究。

原料液組成對最終產(chǎn)品的純度有直接影響，當(dāng)原料液中乙醇摩爾分?jǐn)?shù)從0.1提高到0.5時(shí)，乙醇與異丙醇的分子數(shù)比從1∶9提高到5∶5，而兩者無限混溶，乙醇與異丙醇分子之間的作用力減小，乙醇從混合液中逸出的阻力減小，所以塔頂產(chǎn)物中乙醇純度更高。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results

表3 數(shù)據(jù)處理Tab.3 Date handling

3 結(jié)論

乙醇與異丙醇因結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相似難分離，通過減壓精餾選擇合適的填料可以進(jìn)行一定程度的分離。當(dāng)溶液組成中乙醇摩爾分?jǐn)?shù)為0.5，塔頂真空度為700mmHg，采用金屬螺旋彈簧柱作精餾柱填料時(shí)可將純度提高到0.8600。為乙醇與異丙醇二元混合工業(yè)化分離提供了重要參考依據(jù)。

［1］肖青,鐘烈鑄.用異丙醇代替乙醚-乙醇混合溶劑測定植物油脂酸價(jià)的研究［J］.糧食儲藏，1998,27（5）:33-35.

［2］王志剛,王曉晶,王斐,等.毛細(xì)管柱頂空進(jìn)樣測定大氣中的丙酮、甲醇、乙醇和異丙醇［J］. 污染防治技術(shù),2008,21（4）:106-107.

［3］張勇朝,饒春明,羅立俊,等.氣相色譜法測定質(zhì)粒DNA中乙醇和異丙醇?xì)埩袅浚跩］.藥物分析雜志,2007,27（8）:1290-1291.

［4］李書奕,魏峰,楊燾,等.減壓精餾分離苯甲酸釜?dú)堃旱脑囼?yàn)研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程,2007,24（5）:408-411.

［6］方開泰,馬長興.正交與均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社,2001.