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生活中常見的化工原料，它們被廣泛的應用到制藥工程、電子工業、塑料、涂料及精細化工等領域中，用途十分廣泛。而在制備雜環化合物、合成醫藥原料及加工含酒精飲料等化工生產過程中，會經常使用乙醇、異丙醇的混合物作為介質和提取劑[1]，因此生產過程中產生的廢液多以乙醇、異丙醇混合物為主。為了節約成本，減少廢液的產生，常常研究從廢液中分離出乙醇和異丙醇原料實現再回收利用。

乙醇的沸點是78℃，異丙醇沸點為82.45℃，兩者沸點相差不大，結構和化學性質相似，利用普通的精餾難以實現兩者的分離，因此需要使用特殊的精餾方式來達到分離的目的。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，研究結果表明：在以金屬螺旋彈簧柱為精餾柱填料時，當真空度為93.33kPa 時，分離出乙醇的摩爾分數可達到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），進行共沸精餾實驗，結果表明1-己烯能夠成功分離乙醇-異丙醇混合物，當共沸劑與乙醇質量比為4∶1時，塔釜異丙醇質量分數可達到99.77%。

二甲基亞砜（DMSO）是一種含硫有機化合物，有著“萬能溶劑”之稱[11]。DMSO 因其高沸點、良好的熱穩定性以及高極性等特征，在工業生產和科學研究中用途十分廣泛，萃取精餾方面常被用作萃取劑使用。在本實驗研究中，DMSO 的沸點遠高于乙醇和異丙醇，并且具有熱穩定好，易于回收，經濟實惠等優勢，所以選擇二甲基亞砜作為乙醇-異丙醇物系的萃取劑，應用于萃取精餾實驗研究。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗在間歇萃取精餾塔中進行（如圖1），塔高3m，塔徑為50mm，塔內裝θ 環填料。塔釜由調溫電熱套加熱，用調壓器調節釜溫和氣化速率，塔頂為循環式冷凝冷凝器，塔頂蒸汽經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 萃取精餾實驗裝置

1.2 實驗原料

實驗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 實驗分析條件

安捷倫7820 氣相色譜儀（安捷倫科技（中國）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℃，保留時間5min；以5℃/min 升溫至200℃，保留時間10min；FID 檢測器為氫火焰檢測器，溫度300℃；進樣室溫度200℃；分流比100∶1；載氣為氮氣。進樣量：0.2μL.

1.4 實驗步驟

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，在全回流狀態下使塔內建立穩定的濃度梯度。待穩定后，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，萃取劑加入流速和實驗中的回流比等條件對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）。因為乙醇的沸點略低于異丙醇，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 結果與討論

乙醇與異丙醇的沸點差僅為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，萃取劑的選擇是關鍵。一般來說，萃取劑的極性越強，它的選擇性能也會越強。二甲基亞砜是一種強極性的非質子溶劑，經常用于萃取精餾分離實驗中。本實驗選擇二甲基亞砜作萃取劑用于分離乙醇-異丙醇物系研究，實驗情況分析如下。

2.1 二甲基亞砜流速對萃取精餾的影響

實驗中保持回流比為6，改變萃取劑加入流速，以檢驗萃取劑流速對萃取精餾實驗分離效果的影響。不同萃取劑流速對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，隨著萃取劑加入流速的增加，塔頂餾出產品中乙醇的含量逐漸增加，當萃取劑流速達到15mL/min 后，塔頂餾出產品中乙醇含量增加的幅度減小。這是因為隨著萃取劑流速的增大，在塔內和物料作用的溶劑量增加，二甲基亞砜對異丙醇的作用力增強，同時稀釋作用也變大，增加了兩者之間的相對揮發度，因此分離效果變大。但是為了增加塔頂餾出產品中乙醇的含量而一味地增加萃取劑加入流速，并不可取。因為這樣不僅會增加萃取劑用量從而造成萃取劑回收困難，同時增加了萃取精餾塔的負荷而造成了能耗增加。因此從經濟與操作方面考慮，萃取劑加入的流速不易過大，應選擇合適的萃取劑流速范圍。

2.2 回流比對萃取精餾的影響

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

表2 回流比對分離效果的影響

由表2可見，塔頂餾出產品中乙醇的含量隨著回流比的增加而增加，在本實驗設定的條件下，當回流比為10時，產品中乙醇含量可達到89.87%。這是因為增大了回流比相當于提高了塔內氣流的接觸程度，使得分離效果提高。但是當回流比過大時，相同時間內餾出物料的量會較少，即產能降低。相當于在相同的產能下，延長了操作時間，使得能耗增加，不利于控制工業成本。因此，在實際的工業生產中，回流比并不是越大越好，要在一定的萃取劑加入流速下達到一定的分離效果，應選擇合適的回流比，盡可能地降低回流比。

3 結論

間歇萃取精餾的方法可以用于分離沸點差較近的乙醇-異丙醇物系，二甲基亞砜作萃取劑時用于分離乙醇-異丙醇物系，分離效果較好：當回流比不變時，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；當萃取劑加入流速不變時，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，意味著同時增加了能耗，因此，實際工業生產中要根據現實情況，選擇合適的工藝參數。