間歇萃取精餾分離乙腈-正丙醇共沸體系的模擬和實驗研究

吳子波，李南鋅，羅 橙，劉 琴

（西南化工研究設計院有限公司，四川成都 610043）

乙腈和正丙醇[1]是某制藥廠生產過程中產生的廢料，將其分離開具有重要的經濟效益和環保效益。但該體系常壓下共沸，綜合考慮后用間歇萃取精餾方法分離該物系。首先利用UNIFAC 結合EWELL 理論，選定DMF 和異戊醇作為分離該體系的萃取劑，然后利用ChemCAD 進行模擬獲得精餾操作條件，之后進行了實驗驗證。

1 萃取劑的選擇

崔現寶[2-3]根據溶劑的選擇性定義式推導出了一種選擇溶劑的方法。該方法是對UNIFAC 篩選萃取劑的一種改進，可以較直觀地篩選出合適的萃取劑；但是該方法對部分滿足篩選條件的基團不能夠量化選擇，對這部分基團的選擇具有一定的隨機性。

Ewell 等[4]認為分子之間的作用力主要是氫鍵的貢獻，所以他將物質按照氫鍵作用分成五類，根據與拉烏爾定律的偏差程度來篩選萃取劑，作為經驗方法不易實踐，但是作為一種輔助手段是可行的，對于崔現寶提出的篩選方法部分滿足條件的基團，用該理論輔助選擇，選擇合適的萃取劑。

結合崔現寶和EWELL 理論選定主基團為ACH、HCOO、DMF、OH、DOH，綜合表1 溶劑篩選條件和經驗，確定萃取劑為DMF 和異戊醇。

表1 溶劑篩選條件

2 間歇萃取精餾的模擬

2.1 本文的模擬流程

本研究運用的過程模擬工藝流程如圖1所示。分三步進行：第一步經萃取劑全回流后，采出99%的乙腈產品；第二步以溫度為指標，采出過渡餾分，蒸出大部分乙腈；第三步采出95%的正丙醇。因為萃取劑和正丙醇沸點相差較多，簡單蒸餾即可分離，不進行重點考慮。

圖1 間歇萃取精餾模擬流程圖

2.2 模擬結果

考慮到能耗，主要考察99%（質量分數）以上的乙腈的回收率情況（回收率計算采用產品采出量與原料量的比值，不計塔板持液量），原料以共沸組成進料，其余初始條件如表2所示。

表2 模擬的初始條件

Wilson 和NRTL 模型關聯參數采用文獻[5-9]提供的參數及中國科學院過程工程研究所工程化學數據庫提供的相平衡數據關聯所得。

模擬初步結果分別見圖2～圖7。分別為收率隨萃取劑進料溫度、萃取劑進料位置、萃取劑進料量、回流比、理論板和持液量的變化。

圖2 收率隨萃取劑進料溫度的變化

由圖2可知，隨著進料溫度的升高，收率有一定上升，在高于一定溫度時收率有一定下降，分析是當進料溫度和同樣位置的塔內溫度不一致時，干擾了塔內傳熱和傳質的進行，破壞了萃取精餾的進行，影響了收率的大小，所以萃取劑進料溫度，DMF 萃取以40～60℃為宜，異戊醇萃取以30～50℃為宜。

同理，圖3亦如此，進料位置和塔內溫度一樣才能不干擾萃取精餾的進行。同時對比兩種萃取劑發現DMF 萃取以萃取段為主，而異戊醇萃取時精餾段也至關重要，分析可能是萃取劑沸點較低，影響了萃取效果。所以，DMF 萃取劑進料位置以3～4塊為宜，異戊醇萃取以4～6塊為宜。

圖3 收率隨萃取劑進料位置的變化

圖4為收率隨回流比的變化，可見隨著回流比的增大，收率不斷變大，但是回流比大意味著更高的能耗和生產時間，綜合認為DMF 萃取回流比以6～8為宜，異戊醇萃取回流比以5～6為宜。

圖4 收率隨回流比的變化

圖5為收率隨理論板數的變化，收率隨著理論板數的增加在變大，當理論板數超過一定值時，收率基本不再變化。說明塔板的增大有利于乙腈的回收，但是乙腈正丙醇分離能力是一定的并且間歇萃取精餾的塔釜物質量是一定的，當理論板過大時，一部分塔板處于閑置狀態，而且影響傳質效果，所以綜合認為塔板數DMF 萃取以20～25塊為宜，異戊醇萃取以18～22為宜。

圖5 收率隨理論板數的變化

圖6為收率隨塔板持液量的變化，隨著塔板持液量的變大，收率也在變大，當持液量超過一定值以后，收率隨著持液量增大變小，分析隨著持液量增大，更多的物質得以進行傳質，效率變大；當持液量過多時，過多的持液量影響了輕重組分的傳質分離和塔釜存液量反而不利于傳質的進行。綜合持液量，DMF 萃取以15～35 mL 為宜，異戊醇萃取以40～50 mL 為宜。

圖6 收率隨持液量的變化

圖7為收率隨萃取劑進料量的變化，當萃取劑進料量太小時沒有合格產品流出，當超過一定值時，收率隨萃取劑進料量的增加而逐步增加，直至達到穩定值，但是由于精餾塔釜控制因素為加熱功率，恒定加熱功率的情況下，過多的萃取劑不利于精餾的進行，故當萃取劑超過一定值之后，收率開始下降。綜合認為DMF 萃取以1～1.2 kg/h 為宜，異戊醇萃取以0.8～1.5 kg/h 為宜。

圖7 收率隨進料量的變化

兩種萃取劑模擬條件見表3。

表3 模擬優化后條件

3 間歇萃取精餾的實驗驗證

3.1 實驗設備

實驗設備同文獻[10]一樣，實驗所采用的具體設備及參數，見表4所示。

表4 主要設備參數

3.2 實驗結果

根據表3模擬的優化結果進行模擬，模擬結果見表5，同樣條件進行實驗，實驗部分進行了三次重復驗證，取平均值列于表6。

表5 模擬結果

表6 實驗結果

由兩個表的對比可知，模擬結果基本可靠，基本上實現了最初的設想，但是由于分段不夠細，所得正丙醇純度可以進一步提高；而且兩種萃取劑DMF 和異戊醇，不管是模擬還是實驗，DMF 都要優于異戊醇，分析認為是異戊醇與各物質間沸點差太小所致。

4 結論

采用先模擬后實驗的方式，對乙腈-正丙醇體系進行了間歇萃取精餾的研究，選出了合適的萃取劑DMF，結果證明模擬基本可靠，基本實現了最初的設想。