四氫呋喃和乙醇的有效分離

劉琳琳，欒業偉，馬春宏

(吉林師范大學 教務處，吉林 四平 136000)

在化工和制藥行業中，四氫呋喃和乙醇被作為一種重要的溶劑而廣泛應用．但在最終產品中必須對其排除干凈，如大量排放不回收，形成的有機廢氣或廢液，不僅造成生產成本提高、環境的污染，還可能造成生產事故[1]．為了避免嚴重的資源浪費，如何回收再利用四氫呋喃和乙醇就成為我們研究的重要課題．

四氫呋喃和乙醇可形成最低共沸物，在生產過程中其體系不能通過簡單蒸餾完全分離．離子液體所產生的鹽效應能改變液體組分之間的相對揮發度，打破共沸現象，能夠提高精餾效率，并且不揮發、毒性小、可循環利用．因此，可以作為萃取劑應用于共沸物系的分離過程．目前含有離子液體的汽液平衡數據研究已有相關報道[2-3]，本文選用體積分數為30% 的[OMIm]BF4作為四氫呋喃-乙醇物系萃取精餾的溶劑[4]，進行間歇萃取精餾，探討不同回流比、萃取劑比，萃取劑進料流率等因素對分離效果的影響，確定最佳的工藝條件．將為離子液體應用于分離方面的研究增加新的研究成果．

1 實驗藥品

表1 實驗藥品及規格

2 實驗儀器

精餾塔(天津鵬翔科技有限公司);汽液平衡釜;氣相色譜儀;質量流量控制器(1ml);電子天平(精度為0.1mg);燒杯;移液管(10ml);加熱套．

3 實驗裝置

圖1 萃取精餾裝置圖

4 實驗步驟

(1)配備一定體積的四氫呋喃/乙醇的混合液，加入塔釜，量取一定體積的萃取劑加入到高位槽中.

(2)未加萃取劑下的全回流操作:塔頂冷凝器通入冷卻水，接通電源對塔釜進行加熱，每隔10min記錄一次塔頂、上段、下段、塔釜的溫度，同時再緩慢提高加熱套的加熱電壓，一直到全塔處于穩定狀態，記錄此時的加熱電壓、釜溫、頂溫，采塔頂樣品用氣相色譜儀測定其濃度.

(3)加萃取劑下的全回流操作：待步驟(2)全回流穩定后，向塔內加入萃取劑，每隔10min記錄一次實驗數據，恒定回流比下的產品采出操作：當塔頂濃度穩定后，調節回流比控制器，以一定的回流比采出餾分．每隔10min記錄一次塔頂、上段、下段、塔釜，并從塔頂采樣口采出塔頂餾分，從塔頂采出過渡餾分和重組分，最終塔釜富集溶劑，以回收利用.

(4)實驗結束后，切斷電源，停止加熱，繼續供給冷卻水至塔釜溫度降至室溫，再關掉冷卻水．

5 實驗結果

5.1 回流比對分離效果、塔頂餾分純度和收率的影響

(1)常規間歇精餾過程中塔頂、上段、下段和塔釜溫度隨時間的變化.變化如圖2所示.

圖2 間歇精餾塔溫度隨著時間的變化

由圖2可以看出，塔頂、塔上段、塔下段和塔釜溫度，都隨精餾時間的增加而增加，塔釜溫度最高，上段和下段溫度次之，塔頂溫度最低．當R=4時，四氫呋喃的主要流出時間為50～150min，塔頂溫度在62.1～75.9℃內，塔頂溫度63.4℃，精餾時間在100min，塔頂流出的四氫呋喃的濃度最高可達到94.89%；當R=5時，當精餾時間達到50min后，塔內處于全回流的穩定狀態，此時塔頂溫度保持在58.5～63.7℃范圍內，此狀態一直持續到140min左右結束，塔頂溫度63.1℃，精餾時間在90min，塔頂流出的四氫呋喃的濃度最高可達到98.54%；當R=7時，精餾開始的第40分鐘到第90分鐘內，塔頂溫度穩定于61.9～66.2℃之間，此時四氫呋喃大量的流出，塔頂溫度63.4℃，精餾時間在70min，塔頂流出的四氫呋喃的濃度最高可達到93.7%．

(2)塔頂產品組成隨塔頂溫度和精餾時間的變化.當R=4、R=5、R=7時塔頂產品含量隨精餾時間的變化如圖3所示．

圖3 塔頂產品含量隨精餾時間的變化

由表3和圖4可知，在回流比R=5時，四氫呋喃的回收率最高．隨著回流比的增加，塔頂餾出物中四氫呋喃的含量增加，表明增大回流比有利于提高塔頂餾出物中四氫呋喃的濃度．但再增大回流比，蒸餾時間延長，能耗增加.所以，實際分離過程需綜合考慮操作費用和分離要求控制適宜的回流比．研究認為適宜的回流比為5時，四氫呋喃的濃度98.51%，收率為82.16%．

表3 產品回收率統計表

圖4 回流比對塔頂餾出物濃度和收率的影響

5.2 萃取劑比對分離效果的影響

參照上述分析方法，保持回流比R=5，分別探討萃取劑比為10%、20%、30%時，常規間歇精餾過程中塔頂、上段、下段和塔釜溫度隨時間的變化，以及塔頂產品組成隨塔頂溫度和精餾時間的變化，計算四氫呋喃和乙醇的回收率．

表4 產品回收率計算表

圖5 萃取劑比對塔頂餾出物的影響

由表4和圖5可知，四氫呋喃的收率隨著萃取劑比減小而減小．在萃取劑30%時，四氫呋喃的回收率最高，萃取劑20%和10%時，四氫呋喃和乙醇回收率變化不大，隨著萃取劑比的增加，塔頂餾出物中四氫呋喃含量增加，表明增大萃取劑比有利于提高塔頂餾出物的濃度．研究認為適宜的萃取劑比為30%，四氫呋喃的濃度最高可達到98.55%，收率為82.5%．

5.3 萃取劑流率對分離效果的影響

同樣參照上述分析方法，分別探討萃取劑流率為2.5ml/min、3ml/min、4ml/min時，常規間歇精餾過程中塔頂、上段、下段和塔釜溫度隨時間的變化，以及塔頂產品組成隨塔頂溫度和精餾時間的變化，對溶液中四氫呋喃與乙醇的回收率進行計算．

表5 產品回收率計算表

表5和圖6是萃取劑流量對塔頂產品濃度的影響結果．在萃取劑流量4ml/min時，塔頂餾出物中四氫呋喃的濃度最高．隨著萃取劑流量的增加，塔頂餾出物中四氫呋喃的回收率增加，表明增大萃取劑流量有利于提高塔頂餾出物的濃度．研究認為適宜的萃取劑比為4ml/min，四氫呋喃的濃度98.51%，收率為81.44%．

圖6 萃取劑流量對塔頂餾出物的影響

5.4 不同萃取劑對分離效果的影響

確定萃取劑為[OMIM]BF4，回流比R=5時，繼續探討1-辛基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽3種不同萃取劑對分離效果的影響

表6 不同萃取劑下四氫呋喃的濃度和收率

圖7 不同離子液體對塔頂餾出物的影響

由表6和圖7可知，當離子液體是[OMIM]BF4時，四氫呋喃的回收率最高．隨著離子液體分子量的增加，塔頂餾出物中四氫呋喃的含量也增加，表明離子液體的分子量越大越有利于提高塔頂餾出物的濃度．研究認為采用離子液體[OMIM]BF4時，四氫呋喃的濃度98.56%，收率為81.96%．

6 結語

本文實驗研究了四氫呋喃、乙醇二元共沸物系的分離，考察了分離溫度、間歇精餾時間、回流比、萃取劑比等操作參數對分離過程的影響．結果表明：當回流比為5、萃取劑比30%、萃取劑流率4ml/min時，同時采用離子液體[OMIM]BF4，塔頂餾出物中四氫呋喃的濃度最高，萃取精餾效果最好．

參考文獻：

[1]李克,萬邦廷.溶劑回收[M].北京:兵器工業出版社,1991.

[2]李汝雄,王建基.離子液體的多元相平衡研究進展[J].北京石油化工學院學報,2005,13(4):28-34．

[3]王蕭科,田敉.離子液體萃取精餾分離苯-環己烷物系[J].石油化工,2008,37(9):905-909．

[4]李貞玉,劉洪宇,樸明俊.四氫呋喃-乙醇-離子液體三組分物系汽液平衡[J].化學工程,2011(8)：55-59.