間歇萃取精餾分離二氯甲烷-乙醇-水體系的模擬及實(shí)驗(yàn)研究

潘曉梅 晏 蕓 徐積武 肖國(guó)民

(東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京211189)

二氯甲烷(CH2Cl2)為無(wú)色透明液體，分子量為84.93，沸點(diǎn)為 39.75 ℃，有刺激性氣味，易揮發(fā)，對(duì)人的中樞神經(jīng)和呼吸系統(tǒng)有損害［1］.二氯甲烷是一種重要的化工原料，在合成藥物及藥物中間體中起著至關(guān)重要的作用，如用于制備氨芐青霉素、頭孢唑林鈉、羥芐青霉素等抗生素;還可用作易燃物的不燃性溶劑，如用于膠片生產(chǎn)中的溶劑、石油脫蠟的溶劑;也可用作有機(jī)合成的萃取劑、脫漆劑、滅火劑、冷凍劑等.我國(guó)每年二氯甲烷的消耗量很大，若不回收利用，將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，因此二氯甲烷的回收利用非常重要.

間歇萃取精餾同時(shí)具備間歇精餾的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和萃取精餾的實(shí)用性［2-4］.它是通過(guò)向精餾塔上部加入適當(dāng)流量的溶劑以增大共沸物組分之間的相對(duì)揮發(fā)度，從而使難分離物系轉(zhuǎn)化為易分離物系，讓分離得以實(shí)現(xiàn)并降低成本的一種特殊間歇精餾技術(shù).因此，在共沸物的分離方面具有明顯的優(yōu)越性.

本文以乙二醇為溶劑，使用 Aspen Plus［5-8］化工模擬軟件中的 BatchFrac模塊，基于NRTL模型，對(duì)二氯甲烷-乙醇-水體系的間歇萃取精餾過(guò)程進(jìn)行模擬.

1 二氯甲烷-乙醇-水體系物性分析

在二氯甲烷-乙醇-水組成的三元體系中分別存在3種二元共沸物(見(jiàn)表1)，共沸物的存在使普通的精餾無(wú)法得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于99.5%的二氯甲烷，因此可通過(guò)加入萃取劑打破共沸平衡，得到所需產(chǎn)品.本文選取乙二醇作為萃取劑，改變乙醇和水在二氯甲烷中的相對(duì)揮發(fā)度，達(dá)到二氯甲烷與乙醇和水的分離效果.

表1 共沸物的共沸點(diǎn)和組成

2 模擬結(jié)果與討論

本節(jié)討論溶劑比(萃取劑與進(jìn)料的質(zhì)量比)、回流比、塔板數(shù)、乙二醇進(jìn)料位置和乙二醇進(jìn)料溫度對(duì)塔頂組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收率的影響.

2.1 溶劑比對(duì)二氯甲烷分離效果的影響

一次性投料100 kg，物料中二氯甲烷、水、乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為95%，3%，2%，回流比為2，總塔板數(shù)N=20，萃取劑的進(jìn)料位置Ne=2，萃取劑進(jìn)料溫度為40℃，出料流量為40 kg/h，固定精餾時(shí)間為8 280 s，溶劑比的變化范圍為0.23～1.15，考察溶劑比對(duì)二氯甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率的影響.模擬結(jié)果見(jiàn)圖1.由圖1可知，隨著溶劑比的增加，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，當(dāng)溶劑比為0.575時(shí)二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大;溶劑比繼續(xù)增加時(shí)，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小.說(shuō)明乙二醇作為萃取劑能使二氯甲烷達(dá)到理想的純度，但當(dāng)乙二醇過(guò)量時(shí)，會(huì)稀釋塔底原料，影響整個(gè)精餾過(guò)程.

圖1 溶劑比對(duì)二氯甲烷分離的影響

2.2 回流比對(duì)二氯甲烷分離效果的影響

一次性投料100 kg，物料中二氯甲烷、水、乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為95%，3%，2%，總塔板數(shù)N=20，萃取劑的進(jìn)料位置Ne=2，萃取劑的進(jìn)料溫度為40℃，出料流量為40 kg/h，溶劑比為0.575，改變回流比，考察回流比對(duì)二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率的影響.模擬結(jié)果見(jiàn)圖2.由圖2可知，當(dāng)回流比在1.0～2.5范圍內(nèi)變化時(shí)，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，回收率增大，當(dāng)R=2.5時(shí)，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，分離效果最好;當(dāng)回流比繼續(xù)增大，在2.5～5.0范圍內(nèi)，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小.其原因可能是，當(dāng)回流比增大時(shí)，回流量增大，使塔板上的乙二醇濃度減小，影響了二氯甲烷的分離效果.因此當(dāng)R=2.5時(shí)較為合適.

2.3 塔板數(shù)對(duì)二氯甲烷分離效果的影響

一次性投料100 kg，物料中二氯甲烷、水、乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為95%，3%，2%，萃取劑的進(jìn)料位置Ne=2，萃取劑的進(jìn)料溫度為40℃，出料流量為40 kg/h，溶劑比為 0.575，回流比 R=2.5，考察塔板數(shù)對(duì)二氯甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率的影響.模擬結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可知，隨著塔板數(shù)的增加，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，這是因?yàn)樗鍞?shù)越多，物料與乙二醇的接觸越充分.當(dāng)二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.998時(shí)二氯甲烷的純度已能夠滿足回收利用要求，再增加塔板數(shù)效果不是非常明顯，而且設(shè)備的固定投資增大，因此選擇總塔板數(shù)N=20.

圖2 回流比對(duì)二氯甲烷分離的影響

圖3 塔板數(shù)對(duì)二氯甲烷分離的影響

2.4 乙二醇進(jìn)料位置對(duì)二氯甲烷分離效果的影響

一次性投料100 kg，物料中二氯甲烷、水、乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為95%，3%，2%，總塔板數(shù)為N=20，萃取劑的進(jìn)料溫度為40℃，出料流量為40 kg/h，溶劑比為0.575，回流比 R=2.5，考察乙二醇的進(jìn)料位置對(duì)二氯甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率的影響.模擬結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可知，隨著萃取劑進(jìn)料位置的下移，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，回收率下降;萃取劑加入的位置越高，物料與萃取劑的接觸時(shí)間越長(zhǎng)，從而使二氯甲烷的分離效果越好.

圖4 乙二醇進(jìn)料板數(shù)對(duì)二氯甲烷分離的影響

2.5 乙二醇進(jìn)料溫度對(duì)二氯甲烷分離效果的影響

一次性投料100 kg，物料中二氯甲烷、水、乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為95%，3%，2%，總塔板數(shù)為N=20，萃取劑的進(jìn)料位置Ne=2，出料流量為40 kg/h，溶劑比為0.575，回流比 R=2.5，考察乙二醇進(jìn)料溫度對(duì)二氯甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率的影響.模擬結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5可知，當(dāng)溫度在25～38℃范圍內(nèi)變化時(shí)，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率隨溫度升高而升高，當(dāng)溫度超過(guò)38℃時(shí)，二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率隨溫度升高而降低.因此，最佳的進(jìn)料溫度在30～38℃之間，在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)料，餾分的差別很小.考慮精餾的特性，當(dāng)萃取劑的進(jìn)料溫度與該塔板上的溫度相同時(shí)，萃取精餾效果最好，因此取乙二醇的進(jìn)料溫度為38℃.

2.6 最佳模擬條件的確定

一次性投料100 kg，物料中二氯甲烷、水、乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為95%，3%，2%，泡點(diǎn)進(jìn)料，由上述模擬分析可得最佳的工藝條件為:塔板數(shù)N=20，回流比 R=2.5，溶劑比為0.575，溶劑的進(jìn)料位置Ne=2，溶劑38℃進(jìn)料.在此最佳條件下，塔頂?shù)酿s出速率為qD=40 kg/h.

圖5 乙二醇進(jìn)料溫度對(duì)二氯甲烷分離的影響

3 萃取精餾實(shí)驗(yàn)

3.1 萃取精餾流程

間歇萃取精餾塔如圖6所示.從塔底一次性加入二氯甲烷-乙醇-水原料，同時(shí)在固定的塔板處連續(xù)加入萃取劑乙二醇，從而達(dá)到分離的目的.

3.2 產(chǎn)物組成分析方法

用氣相色譜對(duì)塔頂組分進(jìn)行分析，氣相色譜儀型號(hào)為GC9160，色譜柱為3 m×3 mm的GDX-101填充柱［9］，填充物顆粒目數(shù)為60～80.色譜分析條件為:進(jìn)樣器的溫度220℃，采用程序升溫使組分從125℃以20℃/min的速度升高到210℃，熱導(dǎo)池溫度220℃，橋流130 mA，載氣為高純氫氣.

圖6 間歇萃取精餾塔

采用歸一化法進(jìn)行定量分析，其計(jì)算公式為

式中，Wi為二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù);fi為二氯甲烷的校正因子;Ai為二氯甲烷的峰面積.

3.3 萃取精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)模擬中所確定的最佳工藝條件重復(fù)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2.可看出，塔頂餾分二氯甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)能達(dá)到要求，但回收率偏低.其主要原因是塔不能完全密封，并且塔填料有一定的持液量，導(dǎo)致二氯甲烷回收率偏低.

表2 萃取精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)用Aspen Plus進(jìn)行模擬得出萃取精餾的最佳條件:塔板數(shù)為 N=20，回流比 R=2.5，溶劑比為0.575，萃取劑的進(jìn)料位置Ne=2，萃取劑38℃進(jìn)料.塔頂?shù)酿s出速率為qD=40 kg/h.

2)利用模擬結(jié)果指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中得到的二氯甲烷的純度高達(dá)99.8%，與模擬結(jié)果非常一致;在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中二氯甲烷的回收率為90%左右，低于模擬結(jié)果，主要原因是塔不能達(dá)到完全密封，而且塔中的填料有一定的持液.

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本相符.說(shuō)明NRTL模型適用于計(jì)算二氯甲烷-乙醇-水體系的氣液平衡，Aspen Plus軟件中的間歇萃取精餾模塊能夠很好地模擬計(jì)算該體系的分離過(guò)程，可以將該模擬結(jié)果用于工業(yè)上二氯甲烷的回收過(guò)程.

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