溶剂加盐对乙醇—水分离效果的研究

苏义意 ， 吴淑晶 ， 沙 洲

(上海工程技术大学 化学化工学院 ， 上海 201620)



溶剂加盐对乙醇—水分离效果的研究

苏义意 ， 吴淑晶 ， 沙 洲

(上海工程技术大学 化学化工学院 ， 上海 201620)

无水乙醇是指纯度为99.5%以上的乙醇，乙醇在水中形成的是一种二元共沸体系，故不能用一般的方法制取无水乙醇。工业中比较有效果的两种分离方法：溶盐精馏和萃取精馏，两种方法都有各自的缺点，采用加盐萃取精馏的方法，研究新型萃取剂丙三醇+氯化锌对乙醇—水体系分离的影响。

无水乙醇 ； 混合萃取剂 ； 加盐萃取精馏

无水乙醇作为一种重要的基础化工原料，在化工、能源和医药等领域有着非常广泛的应用，尤其近年来生物燃料乙醇作为车用燃料的应用受到广泛重视，无水乙醇能够代替汽油助燃剂，使燃料能够充分燃烧，减少汽车尾气中的CO及含硫氧化物[1]。目前工业上的许多制取无水乙醇的方法，均有各自的不足，其中效果较好的两种分别是采用固体盐作为分离剂进行分离的溶盐精馏法和加入萃取剂进行分离的萃取精馏法。而本实验所用到的加盐萃取精馏的方法利用溶盐萃取剂效果好的优点，改进萃取精馏溶剂效果差的缺点，利用萃取精馏溶剂有液体回收循环方便，工业上易于实现的优点，溶盐精馏时盐固体输送困难，在溶剂中加盐可改进溶剂效果，减少溶剂比，使用十分方便，分离效果明显。

1 实验研究

1.1 实验仪器及药品

①本次实验使用天津市鹏翔科技有限公司生产的填料精馏塔，真空计为上海家君真空仪表制造有限公司制造的U型真空计。②溶盐氯化锌为上海琳帝化有限公司生产，分析纯AR。③溶剂丙三醇为天津市鼎盛鑫化工有限公司生产，分析纯AR。

1.2 盐的选取

往弱电解质的溶液中加入与弱电解质没有相同离子的强电解质时，使弱电解质分子浓度减小，离子浓度相应增大，解离度增大，这种效应称为盐效应。向乙醇水溶液中加入易电离的离子盐，会在水中电离形成离子场，此时介电常数较低的乙醇分子被介电常数较高的水分子从离子附近赶走，从而改变了各组分的活度系数，提高了乙醇的分压，所以乙醇的相对挥发度增大，易于分离。盐效应随着离子的价态升高而增强，因此本实验选用易电离的离子盐氯化锌[2]。

1.3 溶剂的选取

作为溶剂需要有良好的选择性，加入溶液后能够按照分离要求发挥作用；同时还要有良好的溶解度，无毒无害，价格合适。目前，国内外普遍运用乙二醇作为萃取剂，乙醇的介电常数为24.30，水的介电常数为78.30，乙二醇和丙三醇的介电常数分别是37.70和56.50，可以发现乙二醇与丙三醇的介电常数介于乙醇和水之间。根据相似相溶原理，他们对水的亲和力均要大于乙醇，因此乙二醇和甘油能够破坏乙醇—水体系的恒沸点，提高乙醇的挥发度[3]。同时甘油的介电常数要大于乙二醇，所以其对水的亲和力更大，也就是说乙醇在丙三醇溶液中的挥发度大于它在乙二醇中的挥发度，而且丙三醇更为廉价，所以本次实验选用丙三醇作为溶剂。

1.4 回流比的确定

回流比是指L/D(L，回流液；D，馏出液)，理论上增大回流比可以提高精馏效率，增大塔顶乙醇浓度，但回流比过大又会增加塔顶的热负荷，因此本次实验选取1∶1、2.5∶1、3∶1三个回流比进行研究，考察其对塔顶出料乙醇浓度的影响[4]。

1.5 溶剂中盐含量的确定

溶盐中的盐效应也会随着体系中盐浓度的增大而增大，因此采用不同的盐浓度进行探究很有必要，本次实验过程中选用三种盐含量(每100 mL含7、9、11 g)探究其对乙醇与水分离的影响。

1.6 溶剂比的确定

溶剂比是指所用溶剂量与进料乙醇量的比值，在萃取精馏制取无水乙醇的工艺过程中，存在溶剂比较大的问题，可见溶剂比的不同必然会对此次实验造成影响，故选择0.6∶1、0.8∶1、1∶1、1.2∶1、1.4∶1五种溶剂比进行实验。

2 几点说明

①为了实验数据的准确性，增设了一组空白对照实验，即在不加入盐和溶剂的情况下探究乙醇与水分离的效果。②考虑到本次实验选用的盐是氯化锌，盐效应比较明显，故本次实验过程通过将盐加入到塔底再沸器中的方式进行实验[5]。③在不加入丙三醇的情况下，通过改变进料乙醇的浓度、回流比、含盐量等参数，进行不同的塔顶出料乙醇浓度实验。

3 实验数据分析

3.1 溶剂比对乙醇—水分离的影响

在进料乙醇浓度80%，100 mL溶液盐含量9 g、回流比为2.5∶1的情况下，不同溶剂比得到的数据整理见图1。

图1 不同溶剂比对乙醇—水分离效果的影响

由图1可知，随着溶剂比的增加塔顶出料乙醇的含水量逐渐减小，但在溶剂比>1.2后，曲线趋于平稳，即可认为1.2为本实验最理想的溶剂比。

3.2 盐含量对乙醇—水分离的影响

在进料浓度为90%，溶剂比为1.2、回流比为2.5∶1的情况下，整理不同盐含量得到的实验数据见图2。

图2 盐量对乙醇—水分离效果的影响

从图2可以看出，随着溶液中盐含量的增加，塔顶出乙醇的含水量随之减少，故在此次实验中100 mL溶液中盐含量为11 g时分离效果最佳，同时也验证了盐效应随盐浓度的增加而增强的理论[6]。

3.3 进料乙醇浓度对乙醇—水分离的影响

进料乙醇的浓度必然会影响到塔顶出料乙醇的浓度，因此本次实验在选择70%、80%、90%三种不同的进料浓度，以此来探究其对实验结果的影响。以80%进料乙醇为例，在其他分离条件最佳时得到的数据，整理如图3所示。

图3 进料浓度对塔顶乙醇浓度的影响

由图3可以看出，随着进料乙醇浓度的升高，塔顶的产品乙醇浓度也呈上升的趋势。

3.4 回流比对乙醇—水分离的影响

进料乙醇浓度分别为70%、80%、90%，其他条件最佳时(即溶剂比为1.2，每100 mL溶液盐含量为11 g)，整理在1∶1、2.5∶1、3∶1三种不同操作回流比的条件下得到的数据，绘制成图4。

图4 回流比对乙醇—水分离的影响

由图4所示，随着操作回流比的增加，塔顶产品乙醇浓度呈现先上升后下降趋势，在回流比2.5∶1时达到最高点，满足回流比过大引起塔顶的热负荷增大，降低分离的效率。同时也符合随进料浓度升高产品乙醇浓度升高的规律，故本实验的最佳回流比为2.5∶1。

3.5 ZnCl2+丙三醇混合萃取剂对乙醇水—分离的影响

对比普通精馏(不加盐和溶剂)、仅加盐ZnCl2以及加入ZnCl2+丙三醇三种操作方法在不同条件下的实验数据，从而得到该混合萃取剂对于乙醇—水共沸体系分离的具体效果。绘制出三种操作方法在不同进料浓度及不同回流比(其他条件最佳：溶剂比为1.2，每100 mL溶液盐含量为11 g的结果，见图5～7。

图5 进料乙醇浓度为70%时，混合萃取剂对分离效果的影响

分析图5～7，可以观察到利用加盐萃取精馏得到的产品乙醇浓度明显比溶盐精馏及普通精馏的产品浓度高，尤其在原料乙醇浓度为90%、回流比为2.5∶1操作条件下，得到产品浓度最高99.5%，符合无水乙醇的浓度要求。因此证明ZnCl2+丙三醇对乙醇—水体系的分离有着很好的效果。

图6 进料乙醇浓度为80%时，混合萃取剂对分离效果的影响

图7 进料乙醇浓度为70%时，混合萃取剂对分离效果的影响

4 结论

结合对本次实验完整数据的分析，可以得到以下结论：①最佳溶剂比为1.2，最佳回流比2.5∶1，每100 mL溶液含盐量最佳为11 g。②单一的加溶盐精馏操作对促进乙醇—水体系的分离有一定的效果，但达不到无水乙醇浓度的要求，而本次实验过程中利用的ZnCl2+丙三醇对无水乙醇的制取有很好的效果，可以达到要求。③加丙三醇、丙三醇+氯化锌对分离效果、使用效率进行比较，得出了一套最优的实验操作参数，可以作为日后无水乙醇制备的实验依据。

[1] 王成林,吴淑晶,王远强,等.工业化制备无水乙醇的研究进展[J].河南化工,2013,30(3):21-23.

[2] 任洪东.盐效分离中盐的选择及加盐萃取的研究[D].天津:天津大学,2003.

[3] 谭 倪.制取无水乙醇的两种方法的研究及比较[J].湘南学院学报,1997(2):44-47.

[4] 李秀芹.加盐萃取精馏制备无水乙醇的研究[J].北京服装学院学报：自然科学版,1990(2):66-74.

[5] 方 凯,吴淑晶,FangKai,等.盐效应制取无水乙醇的研究现状及发展前景[J].广东化工,2014,41(7):97-97.

[6] 段占庭,雷良恒,周荣琪,等.用加盐萃取精馏法制取无水乙醇[J].化学试剂,1979(2):57-60.

Study on Separation Effect of Ethanol-water by Solvent Salt

SU Yiyi , WU Shujing , SHA Zhou

(College of Chemistry and Chemical Engineering , Shanghai University of Engineering Science , Shanghai 201620 , China)

Absolute ethanol is purity of ethanol more than 99.5%,ethanol is a kind of two-component azeotropic system in water,it can not be used in the general method of ethanol production.There are two effective methods of separation in industry，salt distillation and extractive distillation，that all have their own shortcomings. The effect of the new extractant，glycerol and zinc chloride，on the separation of ethanol-water system is studied by extractive distillation with salt.

absolute ethanol ； mixed extractant ； extractive distillation with salt

2017-02-04

上海工程技术大学大学生创新创业计划项目资助(cs1604010)

苏义意(1997-)，男，本科在读，研究方向为化学工程与工艺，电话：13681628038，E-mail:18321261825@163.com。

TQ028.32

A

1003-3467(2017)05-0018-03