間歇萃取精餾乙醇-異丙醇物系的研究

隋海東

（吉林市吉化北方錦江石化有限公司，吉林省吉林市 132022）

乙醇和異丙醇都是日常生產(chǎn)生活中常見的化工原料，它們被廣泛的應(yīng)用到制藥工程、電子工業(yè)、塑料、涂料及精細(xì)化工等領(lǐng)域中，用途十分廣泛。而在制備雜環(huán)化合物、合成醫(yī)藥原料及加工含酒精飲料等化工生產(chǎn)過程中，會(huì)經(jīng)常使用乙醇、異丙醇的混合物作為介質(zhì)和提取劑[1]，因此生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢液多以乙醇、異丙醇混合物為主。為了節(jié)約成本，減少?gòu)U液的產(chǎn)生，常常研究從廢液中分離出乙醇和異丙醇原料實(shí)現(xiàn)再回收利用。

乙醇的沸點(diǎn)是78℃，異丙醇沸點(diǎn)為82.45℃，兩者沸點(diǎn)相差不大，結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相似，利用普通的精餾難以實(shí)現(xiàn)兩者的分離，因此需要使用特殊的精餾方式來達(dá)到分離的目的。例如變壓精餾[2-3]、加鹽萃取精餾[4-5]、共沸精餾[6-7]及萃取精餾[8-9]等。曹裕清等[10]研究利用減壓精餾的方式分離乙醇與異丙醇二元混合物，研究結(jié)果表明：在以金屬螺旋彈簧柱為精餾柱填料時(shí)，當(dāng)真空度為93.33kPa 時(shí)，分離出乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)可達(dá)到0.860。張鸞等[6]將1-己烯作為乙醇-異丁醇體系的共沸劑（乙醇與異丁醇不能共沸，但是1-己烯僅與乙醇共沸），進(jìn)行共沸精餾實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明1-己烯能夠成功分離乙醇-異丙醇混合物，當(dāng)共沸劑與乙醇質(zhì)量比為4∶1時(shí)，塔釜異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到99.77%。

二甲基亞砜（DMSO）是一種含硫有機(jī)化合物，有著“萬能溶劑”之稱[11]。DMSO 因其高沸點(diǎn)、良好的熱穩(wěn)定性以及高極性等特征，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中用途十分廣泛，萃取精餾方面常被用作萃取劑使用。在本實(shí)驗(yàn)研究中，DMSO 的沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于乙醇和異丙醇，并且具有熱穩(wěn)定好，易于回收，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)勢(shì)，所以選擇二甲基亞砜作為乙醇-異丙醇物系的萃取劑，應(yīng)用于萃取精餾實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在間歇萃取精餾塔中進(jìn)行（如圖1），塔高3m，塔徑為50mm，塔內(nèi)裝θ 環(huán)填料。塔釜由調(diào)溫電熱套加熱，用調(diào)壓器調(diào)節(jié)釜溫和氣化速率，塔頂為循環(huán)式冷凝冷凝器，塔頂蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后部分回流，采用回流比控制器控制回流比。

圖1 萃取精餾實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)中所用的原料均為分析純。乙醇：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。異丙醇，二甲基亞砜：麥克林試劑公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析條件

安捷倫7820 氣相色譜儀（安捷倫科技（中國(guó)）有限公司），色譜柱：HP-1，50m×0.25mm×0.5μm。色譜分析條件：柱溫初始35℃，保留時(shí)間5min；以5℃/min 升溫至200℃，保留時(shí)間10min；FID 檢測(cè)器為氫火焰檢測(cè)器，溫度300℃；進(jìn)樣室溫度200℃；分流比100∶1；載氣為氮?dú)?。進(jìn)樣量：0.2μL.

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

將乙醇和異丙醇以3∶7的比例混合后投入到塔釜中，加熱至回流，在全回流狀態(tài)下使塔內(nèi)建立穩(wěn)定的濃度梯度。待穩(wěn)定后，從塔頂按一定的流速加入萃取劑，全回流操作60～70min，直至穩(wěn)定，以此降低餾出物料中異丙醇的含量。之后按一定的回流比采出并分析物料組成。本研究主要考察使用二甲基亞砜作萃取劑時(shí)，萃取劑加入流速和實(shí)驗(yàn)中的回流比等條件對(duì)萃取精餾過程的影響（以餾出物料中乙醇和異丙醇含量為參考）。因?yàn)橐掖嫉姆悬c(diǎn)略低于異丙醇，故塔頂先餾出的是乙醇。因此在本研究的乙醇-異丙醇物系中，塔頂餾出液中乙醇的含量越高，說明越有利于萃取精餾，分離效果越好。

2 結(jié)果與討論

乙醇與異丙醇的沸點(diǎn)差僅為4℃，混合物難以通過精餾方式分離，因此考慮通過萃取精餾方式分離，萃取劑的選擇是關(guān)鍵。一般來說，萃取劑的極性越強(qiáng)，它的選擇性能也會(huì)越強(qiáng)。二甲基亞砜是一種強(qiáng)極性的非質(zhì)子溶劑，經(jīng)常用于萃取精餾分離實(shí)驗(yàn)中。本實(shí)驗(yàn)選擇二甲基亞砜作萃取劑用于分離乙醇-異丙醇物系研究，實(shí)驗(yàn)情況分析如下。

2.1 二甲基亞砜流速對(duì)萃取精餾的影響

實(shí)驗(yàn)中保持回流比為6，改變萃取劑加入流速，以檢驗(yàn)萃取劑流速對(duì)萃取精餾實(shí)驗(yàn)分離效果的影響。不同萃取劑流速對(duì)餾出物料中乙醇和異丙醇含量的影響如表1所示。

由表1可知，固定回流比不變時(shí)，隨著萃取劑加入流速的增加，塔頂餾出產(chǎn)品中乙醇的含量逐漸增加，當(dāng)萃取劑流速達(dá)到15mL/min 后，塔頂餾出產(chǎn)品中乙醇含量增加的幅度減小。這是因?yàn)殡S著萃取劑流速的增大，在塔內(nèi)和物料作用的溶劑量增加，二甲基亞砜對(duì)異丙醇的作用力增強(qiáng)，同時(shí)稀釋作用也變大，增加了兩者之間的相對(duì)揮發(fā)度，因此分離效果變大。但是為了增加塔頂餾出產(chǎn)品中乙醇的含量而一味地增加萃取劑加入流速，并不可取。因?yàn)檫@樣不僅會(huì)增加萃取劑用量從而造成萃取劑回收困難，同時(shí)增加了萃取精餾塔的負(fù)荷而造成了能耗增加。因此從經(jīng)濟(jì)與操作方面考慮，萃取劑加入的流速不易過大，應(yīng)選擇合適的萃取劑流速范圍。

2.2 回流比對(duì)萃取精餾的影響

實(shí)驗(yàn)中固定萃取劑加入的流速為15mL/min，改變回流比，以檢驗(yàn)回流比對(duì)萃取精餾實(shí)驗(yàn)分離效果的影響。不同的回流比對(duì)餾出物料中乙醇和異丙醇含量的影響如表2所示。

表2 回流比對(duì)分離效果的影響

由表2可見，塔頂餾出產(chǎn)品中乙醇的含量隨著回流比的增加而增加，在本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的條件下，當(dāng)回流比為10時(shí)，產(chǎn)品中乙醇含量可達(dá)到89.87%。這是因?yàn)樵龃罅嘶亓鞅认喈?dāng)于提高了塔內(nèi)氣流的接觸程度，使得分離效果提高。但是當(dāng)回流比過大時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)餾出物料的量會(huì)較少，即產(chǎn)能降低。相當(dāng)于在相同的產(chǎn)能下，延長(zhǎng)了操作時(shí)間，使得能耗增加，不利于控制工業(yè)成本。因此，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，回流比并不是越大越好，要在一定的萃取劑加入流速下達(dá)到一定的分離效果，應(yīng)選擇合適的回流比，盡可能地降低回流比。

3 結(jié)論

間歇萃取精餾的方法可以用于分離沸點(diǎn)差較近的乙醇-異丙醇物系，二甲基亞砜作萃取劑時(shí)用于分離乙醇-異丙醇物系，分離效果較好：當(dāng)回流比不變時(shí)，隨著二甲基亞砜萃取劑加入流速的增加，乙醇-異丙醇混合物的分離效果增大；當(dāng)萃取劑加入流速不變時(shí)，隨著回流比的增加，乙醇-異丙醇混合物的分離效果增大。但是增加流速或者回流比，意味著同時(shí)增加了能耗，因此，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中要根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，選擇合適的工藝參數(shù)。