精馏技术在混合二甲苯分离研究中的应用

2015-11-30杨玉敏臧红霞

邢台学院学报 2015年2期

杨玉敏，胡洁，臧红霞

精馏技术在混合二甲苯分离研究中的应用

杨玉敏，胡洁，臧红霞

（邢台学院，河北邢台 054001）

混合二甲苯主要是由对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯和乙苯组成的混合物(简称C8芳烃或C8馏分)。运用精馏技术，采用实验室小型填料精馏塔进行间歇精馏，通过控制塔顶温度和回流比，将邻二甲苯从混合二甲苯中分离出来，然后用气相色谱仪对产品进行检测，通过对数据处理找出最优实验条件，为实验室进行邻二甲苯的分离提供依据。结果表明：在实验设备允许条件下，控制塔顶温度80 ℃，回流比为10∶1时，分离得到的邻二甲苯的含量较高。

混合二甲苯；精馏技术；分离提纯

混合二甲苯主要来源于催化重整、蒸汽裂解、甲苯歧化和煤焦油[1]，且各种同分异构体都是重要的工业原料[2]，可广泛应用于各种有重要用途的医药产品、农药产品及特殊材料。近年来，混合二甲苯的分离技术是世界上一个非常活跃的研究话题，有多种方法可以进行，并有很好的发展势头。

混合二甲苯主要是由对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯和乙苯组成的混合物(简称C8芳烃或C8馏分)，工业上主要用作溶剂和汽油的掺合组分，资源利用率低。分离提纯各异构体，可进一步制备成重要的中间体或化工产品，满足社会的需求，而且分离后产品的价值得到极大的提高，有利于资源的优化配置和综合利用。邻二甲苯是重要的有机化工原料和溶剂，绝大部分用于生产邻甲基苯甲酸，苯酐[3-5]等。

混合二甲苯中各组分的沸点相差不多，各组分密度接近及沸点相差较小，如对二甲苯与乙苯的沸点差是2.16℃，对二甲苯与间二甲苯的沸点差是0.75℃，所以利用精馏技术很难将间、对、乙苯分离开来。相对来讲，邻二甲苯与间二甲苯的沸点差是5.3℃，在混合二甲苯分离工艺设计中，可以考虑利用传统的精馏技术先将邻二甲苯分离出来，再利用间二甲苯与对二甲苯、乙苯的碱度差，利用络合萃取技术进行进一步分离。

本文尝试利用精馏技术，采用实验室小规模填料精馏塔，采用间歇精馏技术，通过控制塔顶温度、控制回流比，可大大提高塔釜产品中邻二甲苯的含量。为实验室进行邻二甲苯的分离提供依据。

1 实验仪器、药品、材料及方法

1.1 实验仪器

精馏塔（图1所示）：塔内径D＝30 mm，塔内填料层总高Z＝1.2 m（乱堆），填料为环，理论塔板数约60块。

气相色谱：Agilent 7890A气相色谱仪（安捷伦科技有限公司）。

图1 精馏仪器设备图

1.2 实验药品与材料

混合二甲苯（旭阳焦化有限公司提供），邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、乙苯、无水乙醇（以上药品皆为分析纯）

1.3 实验方法

改变精馏回流比，在最优的实验条件下间歇精馏，将邻二甲苯从混合二甲苯中分离，最后由气相色谱仪所测的邻二甲苯的含量作为评价依据。

2 实验步骤

2.1 混合二甲苯的组成测定

2.1.1 混合二甲苯来源及各组分物理性质

本文所研究的混合二甲苯来源于焦化产品，其组成大致为50%间二甲苯、25%对二甲苯、10%邻二甲苯、4%乙苯，以及其他杂质[6]。C8芳烃各组分的物理性质见表1，C8芳烃各组分挥发度见表2，C8芳烃各组分相对于邻二甲苯的挥发度见表3[7]。

从表1中的数据看出C8芳烃各组分沸点很接近，从表2、3中看出各异构体相对于邻二甲苯的挥发度都大于1，理论上可以用精馏的方法从混合二甲苯中分离出邻二甲苯。

表1 C8芳烃各组分的物理性质

表2 C8芳烃各组分挥发度

表3 C8芳烃各组分相对于邻二甲苯的挥发度

2.2 气相色谱仪测定混合二甲苯组成

2.2.1 色谱测定条件

色谱柱：HP-innowax色谱柱（30 m×0.32 mm，0.25 μm），FID检测器，检测温度：300 ℃，载气流量：30 mL/min，空气流量：40 mL/min，尾气流量：25 mL/min，分流比：215∶1[8-10]。

柱箱：在初始温度为50 ℃下，保持1 min，升温速率为0.5 ℃/min，温度升至,70 ℃时，保持5 min，然后将升温速率变为1 ℃/min。温度升至100 ℃时，保持5min，最后以5 ℃/min的速率升至230 ℃，保持5 min。

2.2.2 邻二甲苯标准曲线的绘制

取定量纯邻二甲苯，使纯邻二甲苯与乙酸乙酯的体积比分别为5%，9%，12%，15%，20%，并标号为1到5，每次进样量为11μL。以邻二甲苯与乙酸乙酯的质量比为横坐标，以邻二甲苯峰面积为纵坐标，依据不同质量比的邻二甲苯有不同峰面积作图，结果如图2所示。

图2 邻二甲苯的标准曲线

由图2知，峰面积对质量比的线性回归方程是：Y=5053.9X－13382，线性相关系数R2=0.9920，表明邻二甲苯在质量比为5.54%～18.03%时具有良好的线性关系。间二甲苯、对二甲苯、乙苯的标准曲线建立方法同上。

2.3 精馏操作步骤

打开冷却水和塔顶放空阀，检查塔釜的液位是否在液位计的2/3位置。打开电源及电加热器开关，并将电流调大（顺时针方向），待塔节温度升上后，将电流调到略小。稳定操作后，打开回流流量计阀门，开始回流操作，并打开产品流量计阀门开始出料（控制回流比小一些，以确保产品含量达到80%以上）至产品储槽。

取样：可通过启闭产品槽及塔釜的对应阀门，从塔顶、塔釜取样口取样分析。精心稳定操作，每隔20～30 min分析一次产品，以确保产品质量，并随时检查塔釜液位。

完成实验后，先关闭加热电源，待塔节温度降低后再关闭冷却水阀。

3 结果与讨论

3.1 混合二甲苯组成分析

混合二甲苯原料进样量为1 μL，按照2.2.1色谱条件运行气相色谱仪。所测混合二甲苯气相图谱如图3。

图3 混合二甲苯气相图谱

注：峰保留时间：乙苯9.635 min、对二甲苯10.316 min、间二甲苯10.277 min、邻二甲苯11.303 min

从图3知，本实验所用混合二甲苯的组成为4.4%乙苯、26.6%对二甲苯、46.0%间二甲苯、9.5%邻二甲苯。

3.2 不同回流比对精馏结果的影响

在相同原料及相同进料量条件下，研究回流比分别为5∶1、8∶1或10∶1时的精馏效果。操作稳定后，取塔底产品，用气相色谱仪测定，计算产品中邻二甲苯的含量。

（1）回流比为5∶1的精馏气相色谱图见图4，结果见表4。

注：峰保留时间：乙苯9.635 min、对二甲苯10.316 min、间二甲苯10.277 min、邻二甲苯11.303 min。

表4 回流比为5∶1的精馏气相色谱结果

从图4及表4的实验数据中看出，当精馏回流比为5∶1，塔顶温度升到80～81 ℃时，几乎将原料中比邻二甲苯轻的组分全部蒸出，塔釜产品邻二甲苯的含量达到16.49%。

（2）回流比为8∶1的精馏气相色谱图见图5，结果见表5。

图5 回流比为8∶1的精馏气相色谱图

注：峰保留时间：乙苯9.635min、对二甲苯10.316min、间二甲苯10.277min、邻二甲苯11.303min

表5 回流比为8∶1的精馏气相色谱结果

从图5及表5的实验数据中看出，当精馏回流比为8～1，塔顶温度升到80～81 ℃时，塔釜产品邻二甲苯的含量达到48.56%。

（3）回流比为10∶1的精馏气相色谱图见图6，结果见表6。

图6 回流比为10∶1的精馏气相色谱图

注：峰保留时间：乙苯9.635min、对二甲苯10.316min、间二甲苯10.277min、邻二甲苯11.303min

表6 回流比为10∶1的精馏气相色谱结果

从图6及表6的实验数据中看出，当精馏回流比为10∶1，塔顶温度升到80～81℃时，塔釜产品邻二甲苯的含量达到54.91%。

从表4～6的实验数据看，对同一批原料，随着回流比的增大，塔釜产品邻二甲苯的含量逐渐提高，且在回流比为(8～10)∶1时，邻二甲苯含量为48%～54%。这说明在填料塔塔径为Φ30 mm、填料高度为1.2 m时，控制回流比(8～10)∶1，用间歇精馏的方法，可以从混合二甲苯中分离出纯度较高的邻二甲苯。若回流比大于10∶1时，精馏结果会更佳，但由于该精馏塔的设计缺陷，最大可调回流比为10∶1，所以在此装置下进行精馏的最佳回流比为10∶1。