N-甲基乙酰胺萃取精餾回收稀醋酸工藝的模擬與實驗研究

李瑞端 劉玉佩 戴傳波

（1.吉林化工學(xué)院石油化工學(xué)院；2.嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院）

醋酸，也稱乙酸，可與水和常用的有機溶劑（如乙醇、乙醚及四氯化碳等）混溶，也能夠溶解大多數(shù)樹脂和精油，但不溶于高級脂肪烴和二硫化碳，在化學(xué)品工業(yè)、醫(yī)用藥業(yè)、染料產(chǎn)品及香料助劑等行業(yè)廣泛應(yīng)用。 據(jù)統(tǒng)計，在工業(yè)上所消耗或者生成的乙酸有很多隨廢水排出，這不僅會白白浪費有用的乙酸，還會增加環(huán)境負擔。 因此，從含乙酸廢水中回收乙酸并重新利用，不僅可以提高乙酸的利用價值，增加產(chǎn)品附加值，而且也利于保護環(huán)境。

國內(nèi)外許多學(xué)者對醋酸稀溶液體系的分離回收工藝進行了研究， 回收精制工藝有很多種，常見的工藝有傳統(tǒng)精餾法。 由于醋酸與水二元相圖存在夾點，使用傳統(tǒng)精餾法很難得到高純度醋酸產(chǎn)品。因此多采用共沸/萃取精餾、溶劑萃取、超臨界流體萃取或氧化、吸附、中和、生物化學(xué)、酯化等方法以及它們的結(jié)合使用等［1～7］。 筆者以N-甲基乙酰胺為夾帶劑，利用萃取精餾法回收廢液中的醋酸。 利用Aspen Plus工程模擬軟件對連續(xù)萃取精餾過程進行模擬， 選用NRTL-HOC熱力學(xué)方程， 并采用靈敏度分析找到合適的回流比、進料比和進料位置，以獲得最佳設(shè)計條件與操作條件，為進一步實現(xiàn)工業(yè)化提供理論基礎(chǔ)。

1 流程模擬與優(yōu)化

N-甲基乙酰胺作夾帶劑連續(xù)分離水和醋酸物系的工藝流程如圖1所示。

圖1中涉及的設(shè)備與操作參數(shù)見表1。

1.1 回流比對分離效果的影響

精餾塔的回流比是精餾操作中的重要操作參數(shù)。 精餾塔回流比的變化直接影響精餾塔的熱負荷，影響精餾塔塔底重組分、塔頂輕組分質(zhì)量分數(shù)。 在能保證分離要求的基礎(chǔ)上，選擇最小的回流比是能耗最小的。 萃取精餾塔理論塔板數(shù)與回流比之間的關(guān)系曲線如圖2所示。 圖3是精餾塔回流比與醋酸純度的關(guān)系曲線， 圖4是精餾塔回流比與熱負荷的關(guān)系曲線。 從圖3可以看出，隨著回流比的增大，醋酸純度提高，但當回流比增大到一定數(shù)值后，即回流比值大于2.4以后，再增加回流比對于醋酸純度的影響基本不變。 從圖4可以看出，隨著回流比的增加，熱負荷會一直直線上升。 因此筆者選取回流比為2.4，這樣既能滿足對醋酸的分離要求又不消耗過高的熱能。

圖1 N-甲基乙酰胺作夾帶劑連續(xù)分離水和醋酸物系的工藝流程

圖2 精餾塔理論塔板數(shù)與回流比之間的關(guān)系曲線

1.2 原料與夾帶劑進料位置對分離效果的影響

圖3 精餾塔回流比對塔頂醋酸純度的影響

在其他條件相同只改變原料進料位置時，會有不同的分離效果， 要想獲得最佳的醋酸純度，需選擇一個最佳原料進料位置。 原料進料位置越低塔釜中輕組分含量越多；而原料進料位置越高其餾出液中重組分含量越多。 圖5是其他條件相同，只改變原料進料位置時，醋酸純度隨著原料進料位置的變化曲線，可以看出，當原料進料位置由第20塊板變化至第38塊板時，醋酸純度變化不大，在第38塊板后急劇下降。 圖6是其他條件相同，只改變夾帶劑進料位置時，醋酸純度隨著夾帶劑進料位置的變化曲線，可以看出，隨著夾帶劑進料位置的增加醋酸純度一直上升，只是在第13塊板后增長速度緩慢并逐漸趨于不變。 綜合考慮，原料進料位置選擇第26塊板、夾帶劑進料位置選擇第13塊板，此時分離效果最佳。

圖4 回流比對熱負荷的影響

圖5 原料進料位置對醋酸純度的影響

圖6 夾帶劑進料位置對醋酸純度的影響

2 實驗研究

2.1 實驗藥品與儀器

以N-甲基乙酰胺為萃取精餾的溶劑，對質(zhì)量分數(shù)為25%的醋酸水溶液進行萃取精餾實驗。實驗所用試劑及規(guī)格見表2。

表2 實驗試劑及規(guī)格

間歇萃取精餾的實驗裝置示意圖如圖7所示。

圖7 間歇萃取精餾的實驗裝置示意圖

2.2 理論塔板數(shù)測定

通過測定填料塔在全回流條件下某物系的塔頂和塔底組成， 根據(jù)Fenske公式來推測該塔在該體系下的全回流理論塔板數(shù)。 根據(jù)Fenske公式可計算理論塔板數(shù)如下：

式中 Nmin——全回流時的最小理論塔板數(shù) （不含再沸器）；

xD——精餾塔全回流穩(wěn)定后塔頂輕組分濃度；

xW——精餾塔全回流穩(wěn)定后塔釜輕組分濃度；

α——塔頂塔釜水-醋酸的幾何平均相對揮發(fā)度；

αD——塔頂溫度下的相對揮發(fā)度；

αW——塔釜溫度下的相對揮發(fā)度。

理論塔板數(shù)測定結(jié)果見表3。

表3 理論塔板數(shù)測定結(jié)果

2.3 實驗結(jié)果與討論

用一個塔完成間歇性分離，首先將水從塔頂蒸出，待沒有水從塔頂蒸出后，開始第2步精餾，將夾帶劑N-甲基乙酰胺中的輕組分醋酸從塔頂蒸出，最后將N-甲基乙酰胺從塔釜接出。 實驗主要測定不同回流比和進料比下塔頂醋酸的質(zhì)量分數(shù)，進而確定適宜的回流比和進料比，以達到最佳的分離效果。

2.3.1 回流比

不同回流比下塔頂醋酸的質(zhì)量分數(shù)如圖8所示。 可以看出，當回流比為4時分離效果最好，此時醋酸的質(zhì)量分數(shù)已經(jīng)很接近純醋酸的含量，所以可以判斷此時蒸出的醋酸已接近純醋酸。

圖8 不同回流比下塔頂醋酸的質(zhì)量分數(shù)

2.3.2 進料比

在回流比為4時，考察不同進料比（醋酸水溶液與N-甲基乙酰胺之比）下醋酸的質(zhì)量分數(shù)（圖9）。 從圖9可以看出，當進料比為1.0時，塔頂蒸出的醋酸的質(zhì)量分數(shù)較高，分離效果較好。

圖9 不同進料比下塔頂醋酸的質(zhì)量分數(shù)

圖10 醋酸質(zhì)量分數(shù)隨時間變化曲線

確定好最佳的回流比與進料比后，考察精餾時間對醋酸質(zhì)量分數(shù)的影響。 如圖10所示，實驗的前半段時間塔頂醋酸濃度為零，這是因為實驗剛開始塔頂蒸出的是水， 水蒸出之后才是醋酸；之后隨著時間的推移， 塔頂醋酸濃度逐漸上升，在蒸餾時間達到400min時，達到了醋酸的分離要求96%。

3 結(jié)論

3.1 通過Aspen Plus軟件模擬找到了連續(xù)萃取精餾時合適的進料比和回流比以及原料和夾帶劑的進料塔板數(shù)。 當回流比為2.4、進料比為1.0、原料在第26塊塔板處進料、夾帶劑在第13塊塔板處進料時，能將水和醋酸分離，并達到最好的分離效果。

3.2 經(jīng)過精餾塔嚴格模擬計算，確定了萃取精餾稀醋酸過程中主要操作參數(shù)的影響因素，對稀醋酸回收的研究具有一定意義。

3.3 通過間歇萃取精餾， 在選用N-甲基乙酰胺作夾帶劑進行實驗時，找到了合適的回流比和進料比。 在回流比為4、進料比為1.0時，水和醋酸的分離效果最好，在蒸餾400min時，達到分離要求。

3.4 與普通精餾相比， 萃取精餾工藝具有能耗低、廢酸排放量少的優(yōu)點，具有長遠的經(jīng)濟效益。