浅析萃取精馏技术的研究

摘　要：

关键词：
1  萃取精馏的原理
　　在基本有机化工生产中，经常会遇到组分的相对挥发度比较接近，组分之间也存在形成共沸物的可能性。若采用普通精馏的方法进行分离，将很困难，或者不可能。对于这类物系，可以采用特殊精馏方法，向被分离物系中加入第三种组分，改变被分离组分的活度系数，增加组分之间的相对挥发度，达到分离的目的[1]。如果加入的溶剂与原系统中的一些轻组分形成最低共沸物，溶剂与轻组分将以共沸物形式从塔顶蒸出，塔底得到重组分，这种操作称为共沸精馏；如果加入的溶剂不与原系统中的任一组分形成共沸物，其沸点又较任一组分的沸点高，溶剂与重组分将随釜液离开精馏塔，塔顶得到轻组分，这种操作称为萃取精馏。
2  溶剂筛选原理
　　由于萃取精馏混合物多为强非理想性的系统，所以工业生产中选择适宜溶剂时主要应考虑以下几点：（1）选择性：溶剂的加人要使待分离组分的相对挥发度提高显著，即要求溶剂具有较高的选择性，以提高溶剂的利用率；（2）溶解性：要求溶剂与原有组分间有较大的相互溶解度，以防止液体在塔内产生分层现象，但具有高选择性的溶剂往往伴有不互溶性或较低的溶解性，因此需要通过权衡选取合适的溶剂，使其既具有较好的选择性，又具有较高的溶解性；（3）沸点：溶剂的沸点应高于原进料混合物的沸点，以防止形成溶剂与组分的共沸物。但也不能过高，以避免造成溶剂回收塔釜温过高。目前萃取精馏溶剂筛选的方法有实验法、数据库查询法、经验值方法、计算机辅助分子设计法用实验法筛选溶剂是目前应用最广的方法，可以取得很好的结果，但是实验耗费较大，实验周期较长。实验法有直接法、沸点仪法、色谱法、气提法等。实际应用过程中往往需要几种方法结合使用，以缩短接近目标溶剂的时间。溶剂筛选的一般过程为：经验分析、理论指导与计算机辅助设计、实验验证等[2]。若文献资料和数据不全，则只有采取最基本的实验方法，或者采取颇具应用前景的计算机优化方法以寻求最佳溶剂。
3  萃取精馏的分类
　　萃取精馏按照其操作方式可以分为两类，即连续萃取精馏和间歇萃取精馏。
3.1  连续萃取精馏
　　连续萃取精溜过程中，进料、溶剂的加入及回收都是连续的[3]。连续萃取精馏一般采用双塔操作，第一个塔是萃取精馏塔，被分离的物料由塔的中部连续进入塔内，而溶剂则在靠近塔顶的部位连续加人。在萃取精馏塔内易挥发组分由塔顶馏出，而难挥发组分和溶剂由塔底馏出并进入溶剂回收塔。在溶剂回收塔内，可使难挥发组分与溶剂得到分离，难挥发组分由塔顶馏出，而溶剂由塔底馏出并循环回送至萃取精馏塔。
3.2  间歇萃取精馏
　　间歇萃取精馏是近年来兴起的新的研究方向，由于间歇萃取精馏具有间歇精馏和萃取精馏的优点，近年来引起了一些学者的注意。间歇萃取精馏比连续萃取精馏复杂得多，其流程及操作方法与连续萃取精馏不同。间歇萃取精馏的操作步骤如下：不加溶剂进行全回流操作；加溶剂进行全回流操作；加溶剂进行有限回流比操作；有限回流操作，停止向萃取精馏塔加溶剂。恒塔顶组成操作包括3种方法：（1）溶剂的进料速率保持不变，改变回流比；（2）保持回流比恒定，改变溶剂的进料速率，此方法在理论上是可行的，但在实践中却难以实现；（3）同时改变回流比和溶剂进料速率[4]。
4  萃取精馏在实际中应用
　　化学及石油化工等领域中，萃取精馏主要用于两个方面：一是沸点相近的烃的分离，如最典型的丁烯与丁二烯的分离，两者沸点相差只有2℃，相对挥发度为1.03；二是共沸物的分离，如甲醇一丙酮、乙醇一乙酸乙酯以及乙醇和醋酸等有机物水溶液。萃取精馏的优点是增加了被分离组分之间的相对挥发度，使难分离物系的分离能够进行；缺点是加入的萃取剂量较大，增大了分离过程的能耗。因此，对萃取精馏进行改进，对强化分离过程具有重要意义。加盐萃取精馏既解决了溶盐精馏中盐的溶解和运输问题，又改进了萃取精馏中萃取剂用量大、塔板效率低的缺点[5]。但是，加盐萃取精馏在实际应用过程中，还存在盐的回收及结晶等问题，有待进一步完善。加盐萃取精馏技术的主要应用研究如下。
4.1  醇类物系
　　加盐萃取精馏最早被应用在无水乙醇的生产中。段占庭等""以无水乙醇为制取对象，分别采用含氯化钠、氯化钙、醋酸钾等9种盐的乙二醇溶液为溶剂，测定了相关的汽液平衡数据，经过比较，优选出了醋酸钾一乙二醇复合溶剂，用于工业制备乙醇。实践表明，乙二醇的用量减少了75％～80％，相同产量的操作时间比普通精馏缩短了65％～75％。赵林秀等用改进的汽液平衡釜测定了101．3kPa下醋酸甲酯一甲醇物系在萃取剂和盐存在下的相对挥发度，测定了全浓度范围内的汽液平衡数据，并进行了加盐萃取精馏工艺的实验。结果表明，水作为萃取剂，加入醋酸钾，可提高醋酸甲酯一甲醇物系的相对挥发度，加盐萃取精馏比普通精馏有优势，当溶剂体积比为1:1时，萃取精馏塔塔顶采出的醋酸甲酯的质量分数可达到99％以上，萃取剂回收率达98％，盐可全部回收。异丙醇和水形成共沸物系，共沸点为80.3℃[6]。为获得高纯度的异丙醇，柳阳等采用间歇加盐的萃取方式，以含盐乙二醇溶剂为萃取剂，考察了盐的类型、回流比、溶剂比等因素对异丙醇一水混合液精馏分离效果的影响，小型工艺试验装置的操作结果表明，在回流比0.5、溶剂比0.625、萃取剂进料速率20mL/min的条件下，异丙醇质量分数可达98.87％，能够满足工厂生产的要求。
4.2  非极性物系
　　加盐萃取精馏不仅可以分离极性组分，也可以应用在非极性组分的分离过程中。而对于分离非极性物系，加盐萃取精馏研究的报道较少。碳四组分中丁二烯是合成橡胶的重要单体，工业上生产丁二烯最具竞争力的方法是萃取精馏法。萃取精馏的缺点是溶剂比大，大溶剂量降低了塔的生产能力和塔板效率，所以降低溶剂比、提高溶剂分离能力，对分离过程的技术指标有重要的影响。目前常用的溶剂是：乙腈、Ⅳ一甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺。在此基础上，碳四抽提溶剂改性不仅对丁二烯的生产具有积极意义，而且对于烃类物系的萃取精馏分离具有参考和推广价值。雷志刚等 副开展了一系列碳四组分的加盐萃取精馏实验，考察了盐的类型、浓度及温度对碳四组分间相对挥发度的影响。结果表明，加盐DMF比纯DMF从碳四组分中分离丁二烯的效果明显，丁二烯

萃取精馏塔工艺计算的结果表明，加盐DMF可以有效地降低能耗，与纯DMF相比再沸器和冷凝器负荷分别节省17.5％和8.0％。有资料表明对乙腈萃取精馏分离碳四的助溶剂进行计算机辅助分子设计，将分子设计分为有机物和盐类分别进行，比较设计结果后认为，乙腈加盐能够有效地提高碳四组分间的相对挥发度，并且NaSCN和KSCN是最优的助溶剂。萃取精馏的计算机辅助分子设计能够减少实验的工作量。
4.3  其他物系
　　针对工业上传统蒸馏法分离环己酮一水物系能耗过大的问题，邱学青等研究了含盐类的复合萃取剂对该物系的萃取分离效果，其结果表明MgC1能明显改变环己酮与水之间的互溶度，大幅度提高复合萃取剂对组分的萃取分配系数和选择性系数，为工业上环己酮的生产提纯提供了一种新的分离方法；刘思周以醋酸异丙酯为萃取剂，用加盐萃取一恒沸精馏的方法分离醋酸一水溶液。考察了不同种类的盐及其浓度对萃取剂中醋酸含量的影响，盐可以大大提高萃取剂的分配系数和选择性系数；杨金苗等分别用不同浓度的乙二醇、盐及含盐乙二醇溶液考察了对醋酸甲酯一水物系的影响，并进行汽液平衡测定。其研究结果表明，加盐萃取精馏比单纯的普通精馏、加盐精馏、萃取精馏的分离效果好。对于醋酸甲酯一水物系，通过汽液平衡实验可看出，加入盐明显提高了共沸物中醋酸甲酯的含量，可达到较好的分离效果；针对醋酸甲酯一甲醇一水物系分离难、生产能耗高的现状，杨东杰等采用MgCl2、CH3COOK和水组成的复合盐萃取剂对该物系进行分离。气相色谱分析结果表明，盐可降低醋酸甲酯在水中的溶解度。
5  结论及展望
    萃取精馏溶剂的筛选一般要经过计算筛选和实验筛选。随着计算机技术的发展，将分子设计应用于萃取精馏计算筛选可以大大减少实验工作量。溶剂加盐是萃取精馏溶剂优化的一个重要策略。如果遇到萃取精馏分离过程，可以尝试采用加盐的方式对溶剂进行改进。在萃取精馏溶剂选择和优化过程中，由于基础溶剂和助溶剂受到诸多方面制约，使可选择范围缩小，这对选择和发现新的溶剂极为不利。在普通精馏不能完成的分离场合，应该优先考虑萃取精馏，然后是其他的特殊精馏方式和分离方法。其主要的发展方向为：一方面，可以将其与传统分离过程相结合，建立新的耦合过程强化分离效果；另一方面，多样化的萃取剂与盐的组合吸引了众多研究者在此领域进行探索，并取得了一定的进展。随着科学技术的进步，加盐萃取精馏技术有望发挥更大的作用。
参考文献
[1]刘家棋。分离过程[M]。北京：化学工业出版社，2002
[2]宋海华，孙伟，王秀丽，等。萃取精馏溶剂选择的研究进展[J]。化学工业与工程，2002，19(1)
[3]崔现宝，杨志才，冯天扬。萃取精馏及进展[J]。化学工业与工程，2001，18(4)：
[4]胡兴兰，周荣琪。萃取精馏溶剂筛选方法的评述[J]。承德石油高等专科学校学报，2007，9
[5]杨金苗，李群生。加盐萃取精馏分离酯水溶液的研究。化工进展，2005，24(增刊)
[6]杨东杰，楼宏铭，庞煜霞等。醋酸甲酯一甲醇一水的复合盐萃取分离研究。高校化学工程学报，2007，21(2)

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