利用新型萃取劑制取無水乙醇的研究

蘇義意 ， 吳淑晶 ， 沙　洲

(上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 ， 上海　201620)

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利用新型萃取劑制取無水乙醇的研究

蘇義意 ， 吳淑晶 ， 沙洲

(上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 ， 上海201620)

摘要：工業(yè)酒精含水量為5%左右，它是一種恒沸物，共沸為78.15 ℃。考察目前工業(yè)上制取無水乙醇最常用的幾種方法，都有各自的缺點(diǎn)。本文主要介紹了在萃取精餾和溶鹽精餾優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的一種新的方法—加鹽萃取精餾法，研究乙二醇+氯化鈉在乙醇—水體系中的分離作用。

關(guān)鍵詞：無水乙醇 ； 新型萃取劑 ； 加鹽萃取精餾

0引言

乙醇是非常重要的有機(jī)溶劑，廣泛用于醫(yī)藥、涂料、化妝品、油脂等各個(gè)領(lǐng)域，占乙醇總耗量的50%左右。乙醇是重要的基本化工原料，用于制造乙醛、乙二烯、乙胺、乙酸乙酯、乙酸、氯乙烷等，而無水乙醇亦是非常重要的有機(jī)溶劑，其含乙醇達(dá)99%以上。工業(yè)上可以將其與汽油按比例調(diào)和，生產(chǎn)車用乙醇汽油。有的國家已開始單獨(dú)用乙醇作為汽車燃料或摻到汽油(10%以上)中使用以節(jié)約汽油[1]。在萃取精餾溶劑中加入溶鹽，既提高了溶劑的選擇性，也克服了固體鹽循環(huán)、回收的困難，這種新型、高效的精餾方法稱為加鹽萃取精餾。它在技術(shù)上比目前國外普遍采用的乙二醇萃取精餾生產(chǎn)無水乙醇方法先進(jìn)，改進(jìn)了溶劑效果、減少了溶劑比和所需塔板數(shù)、節(jié)約了操作費(fèi)用和設(shè)備投資。加鹽萃取精餾制取無水乙醇新工藝已在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[2]。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1萃取劑的確定

根據(jù)相似相溶的規(guī)律，極性物質(zhì)易溶于極性物質(zhì)中，非極性物質(zhì)易溶于非極性溶劑中。乙二醇的介電常數(shù)為37.70，而乙醇的介電常數(shù)為24.30，水的介電常數(shù)為78.30，由此可以看出乙二醇的介電常數(shù)是介于乙醇和水之間，顯然，它們對(duì)水的親和力要大于乙醇對(duì)水的親和力，乙二醇的存在破壞了乙醇—水體系的恒沸點(diǎn)，提高了乙醇的揮發(fā)度(乙二醇的分子結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)吸水性是破壞乙醇—水恒沸物的原因)，所以，本實(shí)驗(yàn)最終確定乙二醇為本實(shí)驗(yàn)的萃取劑[3]。

1.2鹽類的確定

如果僅以乙二醇作為萃取劑進(jìn)行蒸餾，在實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐中存在著以下兩個(gè)問題：一是溶劑比太大，二是產(chǎn)品不穩(wěn)定。由于離子鹽NaCl易電離，所以在溶液中會(huì)產(chǎn)生一定的電場(chǎng)作用，雖然這種作用力比較弱，但介電常數(shù)比較大的水分子仍可聚集在離子的周圍。對(duì)水而言，乙醇的活度系數(shù)就會(huì)相對(duì)增大，所以乙醇—水共沸體系的相對(duì)揮發(fā)度變大，這有利于乙醇的分離，所以本實(shí)驗(yàn)最終選用含鹽NaCl的乙二醇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[4]。

1.3回流比的確定

回流比是指L/D(L，回流液；D，餾出液)，本實(shí)驗(yàn)在不同進(jìn)料乙醇濃度和不同萃取劑濃度的情況下，選擇回流比為3∶1、4∶2和1∶1，考察回流比對(duì)乙醇—水體系分離效果的影響。

1.4實(shí)驗(yàn)步驟

前期在不加入萃取劑乙二醇的情況下，通過改變進(jìn)料濃度、回流比、鹽的加入量等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別討論不同進(jìn)料濃度及不同回流比對(duì)產(chǎn)品濃度的影響，不同進(jìn)料濃度的原料中加入不同劑量的氯化鈉時(shí)塔頂產(chǎn)品濃度的變化規(guī)律，后期加入萃取劑再重復(fù)前期步驟進(jìn)行探究。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

2.1NaCl對(duì)乙醇—水分離的影響

當(dāng)進(jìn)料乙醇濃度為80%，其他條件相同，三種不同的回流比，加入不同質(zhì)量的氯化鈉，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響如圖1所示。

圖1　進(jìn)料濃度為80%時(shí)，不同量NaCl對(duì)乙醇水分離的影響

由圖1可知，隨著氯化鈉加入量的增加，產(chǎn)物乙醇的濃度也升高，表明高濃度的鹽能促進(jìn)乙醇—水體系的分離。

2.2NaCl+乙二醇對(duì)乙醇—水分離的影響

原料乙醇濃度分別為70%、80%、90%時(shí)，回流比為3∶1的情況下分別進(jìn)行不加鹽的普通精餾、只加氯化鈉和加入氯化鈉+乙二醇的精餾實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，對(duì)比如圖2-4所示。

圖2　70%原料乙醇，NaCl+乙二醇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖3　80%原料乙醇，NaCl+乙二醇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖4　90%原料乙醇，NaCl+乙二醇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的進(jìn)料濃度和相同的回流比的情況下，同時(shí)加入NaCl和乙二醇的實(shí)驗(yàn)要比僅僅加入NaCl的實(shí)驗(yàn)效果好，出料濃度能夠達(dá)到99.5%以上，接近99.9%。所以NaCl+乙二醇能夠更好地促進(jìn)乙醇—水體系的分離。

2.3不同回流比對(duì)乙醇—水分離的影響

在原料濃度分別為70%、80%、90%的情況下，其他條件相同，分別進(jìn)行回流比為1∶1、4∶2、3∶1的實(shí)驗(yàn)，探究不同回流比對(duì)乙醇—水體系分離的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同回流比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

由圖5可知，在70%進(jìn)料濃度的情況下，出料乙醇的濃度在回流比為4∶2達(dá)到最高，在90%的進(jìn)料濃度下，隨著回流出料比的不斷增大，出料產(chǎn)品濃度也隨之不斷增高，并在回流出料比為4∶2時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)品濃度97.0%。所以可以得出4∶2為本實(shí)驗(yàn)的最佳回流比。

2.4不同濃度原料乙醇對(duì)乙醇—水分離的影響

不同濃度的進(jìn)料乙醇必然會(huì)對(duì)出料乙醇濃度有所影響，本實(shí)驗(yàn)在最佳回流比4∶2的條件下，通過改變不同的進(jìn)料乙醇濃度來探究其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　進(jìn)料乙醇濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

由圖6可知，隨著原料乙醇濃度的增加，實(shí)驗(yàn)得到的乙醇濃度也隨之增加。

3結(jié)論

本文對(duì)采用乙二醇作為萃取劑分離乙醇—水體系進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：①

其他實(shí)驗(yàn)條件最佳時(shí)，改變實(shí)驗(yàn)初始進(jìn)料濃度，發(fā)現(xiàn)塔頂產(chǎn)品濃度隨初始進(jìn)料濃度的增大而增大，當(dāng)初始進(jìn)料濃度為90%時(shí)，塔頂產(chǎn)品濃度達(dá)到最大值為99.8%，說明出料濃度與進(jìn)料濃度成正比關(guān)系。②其他實(shí)驗(yàn)條件不變，改變回流比的大小，塔頂產(chǎn)品濃度隨之而改變，在相同的溶劑比下，回流出料比越大，塔頂產(chǎn)品濃度越高。這與回流比越大分離效果越好的理論是一致的。同時(shí)，隨著回流比的增加，回流量增加，使得塔頂冷凝器的熱負(fù)荷增大，導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品收率下降。所以最佳的回流比為4∶2。③在相同進(jìn)料濃度與相同回流比的情況下，加入離子鹽NaCl，塔頂產(chǎn)品濃度也隨之而增大，在進(jìn)料濃度為90%的情況下，產(chǎn)物乙醇能夠達(dá)到99.2%，說明NaCl對(duì)乙醇—水恒沸體系的分離有著良好地促進(jìn)作用。它的優(yōu)點(diǎn)是原料利用率高、無三廢排放、產(chǎn)品穩(wěn)定、無廢液處理問題等。④最佳實(shí)驗(yàn)條件下，在NaCl的基礎(chǔ)上加入乙二醇，NaCl+乙二醇能夠更好地促進(jìn)乙醇—水體系的分離，得到濃度為99.8%的乙醇，同時(shí)證明乙二醇作為本實(shí)驗(yàn)的萃取劑是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁旭宏,熊雙喜.乙醇—水體系的間歇萃取精餾[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(31)：8451-8453.

[2]董紅星,劉劍,裴健.加鹽萃取精餾的研究進(jìn)展[J].化工時(shí)刊,2004,5：55-58.

[3]段占庭,雷良恒,周榮琪,等.加鹽萃取精餾的研究(Ⅰ)—用乙二醇加醋酸鉀制取無水乙醇[J].石油化工,1980(6)：153-155.

[4]譚倪.制取無水乙醇的兩種方法的研究及比較[J].郴州師專學(xué)報(bào),1997(2)：49-51.

[5]王洪海,李春利,方靜,等.加鹽萃取精餾制取無水乙醇過程的模擬[J].石油化工,2008(3)：77-79.

Study on the Preparation of Anhydrous Ethanol Using New Type Extraction Agent

SU Yiyi , WU Shujing , SHA Zhou

(College of Chemistry and Chemical Engineering , Shanghai University of Engineering Science , Shanghai201620 , China)

Abstract:Industrial alcohol is about 5% moisture content,it is aconstant boiling mixture,as 78.15 ℃ azeotropic.Several methods of preparing anhydrous alcohol in industry are investigated and have their own shortcomings.In the extractive distillation and soluble salt distillation advantages and disadvantages based and developed a new method of extractive distillation with salt method is introduced in this paper,ethylene glycol + sodium chloride in ethanol-water in the system of separation of roles is researched.

Key words:anhydrous alcohol ； new extractant agent ； extractive distillation with salt

中圖分類號(hào)：TQ214

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3467(2016)03-0023-03

作者簡介：蘇義意(1997-)，男，本科在讀，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程與工藝，E-mail:18321261825@163.com。

基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目資助(CX1504004)。

收稿日期：2016-02-03