减压精馏分离乙醇与异丙醇二元混合物*

曹裕清，李志中，王施芹，肖 杨

（中南民族大学 化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074）

乙醇和异丙醇结构和化学性质相似，两者均为易燃低毒、无色透明的液体，良好的有机溶剂，主要用作有机合成原料、化学溶剂、抗冻剂和汽油添加剂。异丙醇还可以作为替代乙醚-乙醇混合溶剂作测定植物油脂酸价的溶剂[1]。在气相环境中存在的乙醇和异丙醇经吸附后需要将两者分离[2]，一些化工产品和生物制品生产过程中需要引入乙醇和异丙醇[3]，在后处理过程也需要对这两者形成的混合物进行分离。乙醇的沸点78.5℃（折射率1.3614），异丙醇沸点82.5℃（折射率1.3772），沸点相差仅4℃，利用普通精馏很难将二者分离，减压精馏可以增大混合物相对挥发度，利于分离，在工业分离中应用广泛[4,5]。对乙醇和异丙醇二元混合物的分离，目前，尚无文献报道，本文实验探索减压精馏分离二者混合物，以期为工业化提供有益参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

乙醇（A.R.国药集团化学试剂有限公司）；异丙醇，（A.R.天津市科密欧化学试剂有限公司）。

WYA阿贝折射仪（上海光学仪器厂）。

1.2 实验装置与流程

在如图1所示的精馏装置中进行乙醇-异丙醇的分离，塔顶另接有真空油泵。实验流程为：

图1 实验装置流程简图Fig.1 Experimental device flow diagram

（1）溶液的配制 将混合物中乙醇摩尔分数转换成体积比，按一定体积比配制混合溶液约300mL，注入精馏釜中。

（2）开启电源，以真空度为700mmHg汞柱、乙醇摩尔分数为0.3，水浴温度为54℃（回流量适宜）3min全回流液滴总数为基准，当条件改变时，通过调节水浴温度使3min全回流液滴总数与基准相等。

（3）全回流1.5 h后，保持控制镏出液的旋塞全开，结合（2），使回流比固定。

（4）在固定回流比下回流5min后开始收集塔顶馏分液1～2 mL，用阿贝折射仪测其折光率，带入工作曲线，可得乙醇摩尔分数，进而求得乙醇摩尔分数的提高量。

1.3 纯度分析

用移液管准确量取乙醇与异丙醇体积分别为 0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1、10∶0的混合溶液各 10 mL（后转换成乙醇摩尔分数），用接有恒温水浴的阿贝折射仪测其在25℃时折光率，将乙醇组成与折光率绘制成工作曲线见图2，数据线性相关性为99.53%，因变量与自变量线性关系良好，表明可以用溶液折光率来反算乙醇的浓度。

图2 工作曲线Fig.2 Curve of work

2 结果与讨论

影响乙醇与异丙醇减压分离的因素较多，大致有真空度、进料流量、回流比、填料以及乙醇的摩尔分数，由于实验条件的限制，间歇反应器很难实现流量的准确测量和回流比的重复操作，因此，本实验通过采用相同的流量和回流比，以间歇反应器模拟，考察了真空度、填料和乙醇摩尔分数三因素，鉴于各因素有可能有交互作用，本实验借鉴三水平正交实验设计经典数据处理，同时考察因素间所有的一级交互作用的正交实验（注：由于版面限制，本实验采用的L27（3^13）正交表中空白列未列出）。

2.1 正交实验表头设计

根据正交实验因素水平的选取方法[6]，综合实验条件，设计如表1所示的因素和水平。其中填料选用了φ3mm石英球、φ4×10mm陶瓷拉西环、金属螺旋弹簧柱1×5mm等3种填料。

表1 因素与水平Tab.1 Factors and level

2.2 实验结果及数据处理

以混合物中乙醇摩尔分数提高值作为评价指标，在不同因素与水平下进行实验，实验结果见表2，对实验进行数据处理结果见表3。从表2、3中可以看出，3个影响因素中影响程度最大的是乙醇摩尔分数，其次是填料、最后是真空度。结合交互作用影响，本实验考察的要素中从主到次依次为B（乙醇摩尔分数）、C（填料）、BC（乙醇摩尔分数与填料的交互）、AB（真空度与乙醇摩尔分数的交互）、AC（填料与真空度交互）、A（真空度），其中A和AC交互对实验指标无显著影响。

最佳组合为真空度700mmHg、乙醇摩尔分数为0.5、金属弹簧柱填料，乙醇摩尔分数提高了0.3600，最高组成达到0.8600。

对于填料来讲其作用就是增大的汽液两相之间的接触面积，强化相间物质传递，金属螺旋弹簧柱填料比石英球和陶瓷拉西环更能提供较多的接触界面，所以更能起到分离作用。

降低压力能够拉大难挥发组分与易挥发组分之间的挥发度差异，增加相对挥发度，所以真空度增加后，体系更易分离，产物纯度提高。关于真空度既然能拉大难挥发组分与易挥发组分之间的挥发度差异，但对实验指标无显著影响的原因，还有待进一步研究。

原料液组成对最终产品的纯度有直接影响，当原料液中乙醇摩尔分数从0.1提高到0.5时，乙醇与异丙醇的分子数比从1∶9提高到5∶5，而两者无限混溶，乙醇与异丙醇分子之间的作用力减小，乙醇从混合液中逸出的阻力减小，所以塔顶产物中乙醇纯度更高。

表2 实验结果Tab.2 Experimental results

表3 数据处理Tab.3 Date handling

3 结论

乙醇与异丙醇因结构与性质相似难分离，通过减压精馏选择合适的填料可以进行一定程度的分离。当溶液组成中乙醇摩尔分数为0.5，塔顶真空度为700mmHg，采用金属螺旋弹簧柱作精馏柱填料时可将纯度提高到0.8600。为乙醇与异丙醇二元混合工业化分离提供了重要参考依据。

［1］肖青,钟烈铸.用异丙醇代替乙醚-乙醇混合溶剂测定植物油脂酸价的研究［J］.粮食储藏，1998,27（5）:33-35.

［2］王志刚,王晓晶,王斐,等.毛细管柱顶空进样测定大气中的丙酮、甲醇、乙醇和异丙醇［J］. 污染防治技术,2008,21（4）:106-107.

［3］张勇朝,饶春明,罗立俊,等.气相色谱法测定质粒DNA中乙醇和异丙醇残留量［J］.药物分析杂志,2007,27（8）:1290-1291.

［4］李书奕,魏峰,杨焘,等.减压精馏分离苯甲酸釜残液的试验研究［J］.化学工业与工程,2007,24（5）:408-411.

［6］方开泰,马长兴.正交与均匀实验设计［M］.北京:科学出版社,2001.