四氢呋喃和乙醇的有效分离

刘琳琳，栾业伟，马春宏

(吉林师范大学 教务处，吉林 四平 136000)

在化工和制药行业中，四氢呋喃和乙醇被作为一种重要的溶剂而广泛应用．但在最终产品中必须对其排除干净，如大量排放不回收，形成的有机废气或废液，不仅造成生产成本提高、环境的污染，还可能造成生产事故[1]．为了避免严重的资源浪费，如何回收再利用四氢呋喃和乙醇就成为我们研究的重要课题．

四氢呋喃和乙醇可形成最低共沸物，在生产过程中其体系不能通过简单蒸馏完全分离．离子液体所产生的盐效应能改变液体组分之间的相对挥发度，打破共沸现象，能够提高精馏效率，并且不挥发、毒性小、可循环利用．因此，可以作为萃取剂应用于共沸物系的分离过程．目前含有离子液体的汽液平衡数据研究已有相关报道[2-3]，本文选用体积分数为30% 的[OMIm]BF4作为四氢呋喃-乙醇物系萃取精馏的溶剂[4]，进行间歇萃取精馏，探讨不同回流比、萃取剂比，萃取剂进料流率等因素对分离效果的影响，确定最佳的工艺条件．将为离子液体应用于分离方面的研究增加新的研究成果．

1 实验药品

表1 实验药品及规格

2 实验仪器

精馏塔(天津鹏翔科技有限公司);汽液平衡釜;气相色谱仪;质量流量控制器(1ml);电子天平(精度为0.1mg);烧杯;移液管(10ml);加热套．

3 实验装置

图1 萃取精馏装置图

4 实验步骤

(1)配备一定体积的四氢呋喃/乙醇的混合液，加入塔釜，量取一定体积的萃取剂加入到高位槽中.

(2)未加萃取剂下的全回流操作:塔顶冷凝器通入冷却水，接通电源对塔釜进行加热，每隔10min记录一次塔顶、上段、下段、塔釜的温度，同时再缓慢提高加热套的加热电压，一直到全塔处于稳定状态，记录此时的加热电压、釜温、顶温，采塔顶样品用气相色谱仪测定其浓度.

(3)加萃取剂下的全回流操作：待步骤(2)全回流稳定后，向塔内加入萃取剂，每隔10min记录一次实验数据，恒定回流比下的产品采出操作：当塔顶浓度稳定后，调节回流比控制器，以一定的回流比采出馏分．每隔10min记录一次塔顶、上段、下段、塔釜，并从塔顶采样口采出塔顶馏分，从塔顶采出过渡馏分和重组分，最终塔釜富集溶剂，以回收利用.

(4)实验结束后，切断电源，停止加热，继续供给冷却水至塔釜温度降至室温，再关掉冷却水．

5 实验结果

5.1 回流比对分离效果、塔顶馏分纯度和收率的影响

(1)常规间歇精馏过程中塔顶、上段、下段和塔釜温度随时间的变化.变化如图2所示.

图2 间歇精馏塔温度随着时间的变化

由图2可以看出，塔顶、塔上段、塔下段和塔釜温度，都随精馏时间的增加而增加，塔釜温度最高，上段和下段温度次之，塔顶温度最低．当R=4时，四氢呋喃的主要流出时间为50～150min，塔顶温度在62.1～75.9℃内，塔顶温度63.4℃，精馏时间在100min，塔顶流出的四氢呋喃的浓度最高可达到94.89%；当R=5时，当精馏时间达到50min后，塔内处于全回流的稳定状态，此时塔顶温度保持在58.5～63.7℃范围内，此状态一直持续到140min左右结束，塔顶温度63.1℃，精馏时间在90min，塔顶流出的四氢呋喃的浓度最高可达到98.54%；当R=7时，精馏开始的第40分钟到第90分钟内，塔顶温度稳定于61.9～66.2℃之间，此时四氢呋喃大量的流出，塔顶温度63.4℃，精馏时间在70min，塔顶流出的四氢呋喃的浓度最高可达到93.7%．

(2)塔顶产品组成随塔顶温度和精馏时间的变化.当R=4、R=5、R=7时塔顶产品含量随精馏时间的变化如图3所示．

图3 塔顶产品含量随精馏时间的变化

由表3和图4可知，在回流比R=5时，四氢呋喃的回收率最高．随着回流比的增加，塔顶馏出物中四氢呋喃的含量增加，表明增大回流比有利于提高塔顶馏出物中四氢呋喃的浓度．但再增大回流比，蒸馏时间延长，能耗增加.所以，实际分离过程需综合考虑操作费用和分离要求控制适宜的回流比．研究认为适宜的回流比为5时，四氢呋喃的浓度98.51%，收率为82.16%．

表3 产品回收率统计表

图4 回流比对塔顶馏出物浓度和收率的影响

5.2 萃取剂比对分离效果的影响

参照上述分析方法，保持回流比R=5，分别探讨萃取剂比为10%、20%、30%时，常规间歇精馏过程中塔顶、上段、下段和塔釜温度随时间的变化，以及塔顶产品组成随塔顶温度和精馏时间的变化，计算四氢呋喃和乙醇的回收率．

表4 产品回收率计算表

图5 萃取剂比对塔顶馏出物的影响

由表4和图5可知，四氢呋喃的收率随着萃取剂比减小而减小．在萃取剂30%时，四氢呋喃的回收率最高，萃取剂20%和10%时，四氢呋喃和乙醇回收率变化不大，随着萃取剂比的增加，塔顶馏出物中四氢呋喃含量增加，表明增大萃取剂比有利于提高塔顶馏出物的浓度．研究认为适宜的萃取剂比为30%，四氢呋喃的浓度最高可达到98.55%，收率为82.5%．

5.3 萃取剂流率对分离效果的影响

同样参照上述分析方法，分别探讨萃取剂流率为2.5ml/min、3ml/min、4ml/min时，常规间歇精馏过程中塔顶、上段、下段和塔釜温度随时间的变化，以及塔顶产品组成随塔顶温度和精馏时间的变化，对溶液中四氢呋喃与乙醇的回收率进行计算．

表5 产品回收率计算表

表5和图6是萃取剂流量对塔顶产品浓度的影响结果．在萃取剂流量4ml/min时，塔顶馏出物中四氢呋喃的浓度最高．随着萃取剂流量的增加，塔顶馏出物中四氢呋喃的回收率增加，表明增大萃取剂流量有利于提高塔顶馏出物的浓度．研究认为适宜的萃取剂比为4ml/min，四氢呋喃的浓度98.51%，收率为81.44%．

图6 萃取剂流量对塔顶馏出物的影响

5.4 不同萃取剂对分离效果的影响

确定萃取剂为[OMIM]BF4，回流比R=5时，继续探讨1-辛基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐3种不同萃取剂对分离效果的影响

表6 不同萃取剂下四氢呋喃的浓度和收率

图7 不同离子液体对塔顶馏出物的影响

由表6和图7可知，当离子液体是[OMIM]BF4时，四氢呋喃的回收率最高．随着离子液体分子量的增加，塔顶馏出物中四氢呋喃的含量也增加，表明离子液体的分子量越大越有利于提高塔顶馏出物的浓度．研究认为采用离子液体[OMIM]BF4时，四氢呋喃的浓度98.56%，收率为81.96%．

6 结语

本文实验研究了四氢呋喃、乙醇二元共沸物系的分离，考察了分离温度、间歇精馏时间、回流比、萃取剂比等操作参数对分离过程的影响．结果表明：当回流比为5、萃取剂比30%、萃取剂流率4ml/min时，同时采用离子液体[OMIM]BF4，塔顶馏出物中四氢呋喃的浓度最高，萃取精馏效果最好．

参考文献：

[1]李克,万邦廷.溶剂回收[M].北京:兵器工业出版社,1991.

[2]李汝雄,王建基.离子液体的多元相平衡研究进展[J].北京石油化工学院学报,2005,13(4):28-34．

[3]王萧科,田敉.离子液体萃取精馏分离苯-环己烷物系[J].石油化工,2008,37(9):905-909．

[4]李贞玉,刘洪宇,朴明俊.四氢呋喃-乙醇-离子液体三组分物系汽液平衡[J].化学工程,2011(8)：55-59.