加壓精餾分離乙二醇二甲醚/異丙醇工藝研究

李撇仕，黃嘉琳,許松林

（1.安徽貝克聯(lián)合制藥有限公司，安徽太和236604；2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072）

乙二醇二甲醚（DMEN）是重要的有機(jī)合成中間體和醫(yī)藥中間體，被廣泛應(yīng)用于化妝品工業(yè)、香料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、油田工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，可用作萃取劑、非質(zhì)子極性溶劑、氣體吸收劑、含氧添加劑和脫水劑[1-3]。異丙醇是一種非常重要的化工原料[4]，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、化妝品、香料、塑料、涂料等領(lǐng)域，在化工行業(yè)以及其他行業(yè)中有很大的需求量，可用作溶劑、萃取劑和抗凍劑[5-6]。為了提高重復(fù)利用率以及降低工業(yè)成本，希望能夠?qū)⒅扑幤髽I(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含水（1.0%）的DMEN-異丙醇的混合溶液進(jìn)行分離。由于DMEN（常壓沸點(diǎn)85.0℃）和異丙醇（常壓沸點(diǎn)82.5℃）的常壓沸點(diǎn)非常接近，不能使用常壓精餾的方法進(jìn)行分離。根據(jù)熱力學(xué)特性，考慮使用加壓精餾工藝對(duì)混合溶液進(jìn)行分離。本文對(duì)DMEN-異丙醇的水溶液，在不同工藝參數(shù)下的分離進(jìn)行模擬計(jì)算研究，操作參數(shù)包括操作壓力、理論塔板數(shù)、混合溶液中水含量等。最后在考慮多種影響因素的基礎(chǔ)上，利用PROII軟件對(duì)工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，得到優(yōu)化的分離工藝條件，為制藥企業(yè)在遇到類似問題時(shí)提供了解決思路。

1 PROII模擬

1.1 進(jìn)料組分及流量

進(jìn)料溫度為30℃，含水（1.0%）的DMEN-異丙醇混合液進(jìn)料流量為100 kg/h，DMEN與異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為49.5%，進(jìn)料組分的性質(zhì)及數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 熱力學(xué)模型與模擬流程

表1 進(jìn)料組分的性質(zhì)及進(jìn)料設(shè)置

由于DMEN、異丙醇和水混合物系屬于典型的極性物系，模擬計(jì)算過程選擇NRTL模型,該模型適用于二元或多元完全互溶且具有極性的混合物系[7]。

模擬的工藝流程圖如圖1所示，基本流程為：將混合液S1在選定的進(jìn)料位置處進(jìn)料，沸點(diǎn)較低物料S2從塔頂出料，沸點(diǎn)較高的物料S3則從塔釜出料。進(jìn)料溫度為30℃，原料進(jìn)料量為100 kg/h，DMEN和異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為49.5%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，精餾塔的初始設(shè)置及模擬參數(shù)如表2所示。

圖1 分離含水（1.0%）的DMEN-異丙醇混合液的工藝路線圖

表2 加壓精餾塔初始設(shè)置

2 影響因素

本文主要對(duì)操作壓力、理論塔板數(shù)以及原料中水的含量三種影響因素進(jìn)行分析，從而獲得加壓精餾分離DMEN和異丙醇含水溶液的優(yōu)化操作條件。

2.1 壓力的影響

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在常壓時(shí)DMEN和異丙醇的沸點(diǎn)相差2.5℃，當(dāng)壓力增大時(shí)，DMEN和異丙醇的沸點(diǎn)均增加，且兩者的沸點(diǎn)差也在增大，差值的增加有利于分離的實(shí)現(xiàn)，因此，加壓精餾是分離DMEN和異丙醇的合理工藝。同時(shí)，從圖2可見，在加壓時(shí)，DMEN的沸點(diǎn)大于異丙醇，因此在加壓精餾過程中塔頂產(chǎn)物為異丙醇，塔釜產(chǎn)物為DMEN。本文采用加壓精餾的方法對(duì)DMEN-異丙醇進(jìn)行分離。

圖2 物質(zhì)沸點(diǎn)與壓力的關(guān)系

當(dāng)溶液中水含量為1.0%時(shí)，對(duì)操作壓力分別為2 atm、3 atm、4 atm、5 atm、6 atm、7 atm和 8 atm進(jìn)行了模擬計(jì)算，分離產(chǎn)物DMEN與異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨壓力的變化如圖3所示。從圖3中可見，隨著操作壓力的增大，DMEN和異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加，當(dāng)操作壓力由2 atm增加到5 atm時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長較快；當(dāng)壓力由5 atm增加到8 atm時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長趨于平緩。

隨著操作壓力的增加，塔釜的溫度變化如圖4所示。從圖4可見，當(dāng)壓力增加時(shí)，塔釜的溫度隨之增加，當(dāng)操作壓力為6 atm時(shí)，塔釜溫度為151℃，對(duì)應(yīng)的加熱源蒸汽溫度為171℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽的壓力為0.8 MPa，這也是多數(shù)公司采用的加熱蒸汽壓力等級(jí)。因此，綜合考慮分離效果及加熱源壓力，本文采用的加壓精餾操作壓力為6 atm。

圖3 操作壓力的影響

圖4 塔釜溫度與壓力的關(guān)系

2.2 理論塔板數(shù)

理論塔板數(shù)在精餾操作中也是一個(gè)關(guān)鍵的影響因素，理論塔板數(shù)的多少直接影響分離效果和設(shè)備造價(jià)。在模擬的操作基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)的數(shù)值不變，僅改變理論塔板數(shù)的多少，通過兩種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小變化來判斷理論塔板數(shù)對(duì)于分離效果產(chǎn)生的影響。在模擬過程中，保持回流比為4，將理論塔板數(shù)分別設(shè)置為20、30、40和50，均在塔中進(jìn)料的條件下，塔底和塔頂產(chǎn)物中DMEN與異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與理論塔板數(shù)的關(guān)系如圖5所示。從圖5可見，隨著塔板數(shù)的增加，DMEN與異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長速度隨著塔板數(shù)的增加而逐漸趨于平緩，當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到50塊時(shí)，DMEN與異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到97.26%與96.26%。

圖5 理論塔板數(shù)的影響

2.3 原料中水的含量

由于制藥企業(yè)在生產(chǎn)過程中，不同的處理工藝會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入DMEN和異丙醇混合溶液中水含量不同。為了研究水含量的大小對(duì)分離效果的影響，模擬過程采用表2中初步模擬設(shè)置參數(shù)。當(dāng)混合溶液中水含量分別為1.0%、2.0%、5.0%、8.0%、10.0%時(shí)，模擬結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著原料中水含量增多，DMEN與異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降，分離效果變差。當(dāng)溶液中水含量達(dá)到5.0%時(shí)，DMEN和異丙醇含量均低于90.0%，無法滿足生產(chǎn)工藝溶劑回用要求。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要控制DMEN和異丙醇混合溶液中水的含量，只有在混合溶液中水的含量小于5.0%時(shí)，加壓精餾才可以獲得含量滿足要求的DMEN和異丙醇產(chǎn)物。

圖6 水含量的影響

2.4 優(yōu)化結(jié)果

通過熱力學(xué)和模擬計(jì)算分析可知，操作壓力與理論塔板數(shù)的增加都能有效提高分離效果，而水的含量增加則會(huì)大大降低分離效果。經(jīng)過模擬計(jì)算，對(duì)于水含量為1.0%的DMEN和異丙醇混合溶液，通過PROII軟件優(yōu)化計(jì)算結(jié)果為：操作壓力為6 atm，理論塔板數(shù)為50，原料進(jìn)料位置為第30塊理論板，回流比為4。在該工藝條件下，分離得到的DMEN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.53%，異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.52%。優(yōu)化設(shè)置以及模擬結(jié)果如表3、表4所示。

3 結(jié)論

本文從熱力學(xué)的角度，依據(jù)DMEN與異丙醇的性質(zhì)，通過PROII軟件利用加壓精餾的方法對(duì)含水的DMEN-異丙醇混合液進(jìn)行模擬，并通過控制變量法對(duì)影響因素進(jìn)行分析，探索出優(yōu)化的操作參數(shù)條件。在優(yōu)化條件下，可以得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.53%的DMEN和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.52%的異丙醇，同時(shí)在分析模擬數(shù)據(jù)后，可知操作壓力和理論塔板數(shù)的增加都有利于該混合液的分離，而其中水含量的增加則會(huì)影響分離效果，在生產(chǎn)過程中應(yīng)該盡量控制DMEN和異丙醇混合液中水的含量。

表3 加壓精餾塔優(yōu)化設(shè)置

表4 加壓精餾優(yōu)化模擬結(jié)果