乙二醇萃取精馏制备无水乙醇的实验研究

2020-10-21谭艳霞李冬丽李芬锐程永伟

昆明冶金高等专科学校学报 2020年3期

谭艳霞，李冬丽，李芬锐，程永伟

(昆明冶金高等专科学校环境与化工学院，云南昆明 650033)

0 引言

无水乙醇是含水量最小的乙醇，是质量分数>99%的乙醇，在电子、航天、医药、农药、食品、化妆品等行业应用广泛，是重要的化工及医药原料[1]。用常规的精馏方式获得的乙醇其最高浓度是含乙醇95.57%(质量分数)和水4.43%的恒沸混合物，因此用常规的精馏方法无法制得无水乙醇[2]。目前，工业上生产无水乙醇的方法主要有共沸精馏法、分子筛吸附脱水法、萃取精馏法、渗透汽化法、真空脱水法及膜分离法等[3-6]。共沸精馏法是目前工业化生产无水乙醇的主要方法，已发展多年，但存在能耗高、有毒溶剂苯等夹带剂易引起污染等问题[7]，故而近年来涌现出一系列新型现代分离技术的开发研究。在众多新开发的新型分离技术中，萃取精馏具有生产设备投资少、分离精度高、能耗低、无污染和设备简单、萃取剂再生容易等优点，而且可根据需要生产出优级纯、分析纯和化学纯，可提取多种含量低的有机溶剂如甲醇、乙醇、丙酮等。

萃取精馏是向混合物中加入萃取剂，其沸点明显高于原料液中的任一组分，并且与原料液中的某一组分间有较强的吸引力，能显著降低该组分的蒸汽压，从而增大了原料液两组分间的相对挥发度，共沸点消失，再利用精馏的方法实现分离。目前萃取精馏的应用越来越普遍，成为石油化学工业中重要的分离方法。萃取精馏可分为普通萃取精馏、溶盐萃取精馏、复合萃取精馏和加离子液体萃取精馏。乙醇—水分离采用普通萃取精馏即可得到较好的分离效果，目前可用的萃取剂有乙二醇、丙三醇、三甘醇、二乙醚、甲苯等。其中乙二醇是一种工业上易得的溶剂，特点是与水结合力强、无毒、无腐蚀，所以本实验拟采用乙二醇作为萃取剂对乙醇—水物系进行萃取精馏提纯实验研究，以探讨最佳的条件，为萃取精馏制备无水乙醇提供基础参数。

1 实验操作及方法

1.1 实验设备及化学试剂

实验所用仪器和设备主要有萃取精馏装置、阿贝折射仪。

实验及分析用化学试剂有分析纯无水乙醇(体积分数为99.7%，质量分数为99.62%)、95%乙醇、乙二醇。

1.2 实验方法

萃取精馏的操作条件比较复杂，原料液的浓度、回流比、溶剂比(溶剂与原料液的体积比)等因素对塔顶所得乙醇浓度均会有影响。首先利用单因素实验探讨原料液的浓度、回流比、溶剂比的适宜范围，再采用正交优化试验法以获得最佳的操作方案(原料液浓度、回流比、溶剂比的组合)。

在各实验条件下，按萃取精馏操作步骤进行实验，稳定精馏 30 min 后取塔顶产物样品，用高精度阿贝折射仪分析样品折光率，根据乙醇浓度与折光率的关系折算出产物乙醇质量分数。

1.3 实验装置流程示意图

先将不同浓度的原料乙醇用蠕动泵从萃取精馏塔的下部计量输入，再将萃取剂乙二醇用蠕动泵从萃取精馏塔的上部计量输入，将此塔中乙醇提纯至99%(质量分数，下同)以上，乙二醇、水经塔底收集，乙二醇经减压精馏回收处理可循环使用。实验装置流程示意如图1所示。

图1 萃取精馏实验装置流程Fig.1 Flow diagram of extractive distillation

2 实验结果与讨论

乙二醇法萃取精馏制备得到乙醇的质量分数受多种因素的影响，主要有原料乙醇浓度、回流比、溶剂比等因素，下面先讨论各单因素的变化对塔顶乙醇质量分数的影响。

2.1 原料乙醇浓度的影响

分别配制乙醇质量分数为65%、80%、85%、90%、95%的溶液作为原料液，固定溶剂比(乙二醇/原料乙醇体积比)=1.6，回流比=2的条件下进行萃取精馏操作，测定塔顶产物乙醇质量分数，结果如图2所示。

图2 乙醇质量分数的影响Fig.2 Effect of ethanol concentration

由图2看出，当原料乙醇质量分数逐渐增大时，塔顶产品乙醇的质量分数先增大后略有减小，当原料乙醇质量分数为90%时，塔顶乙醇的质量分数可达到最大值97.66%，因此适宜的原料乙醇质量分数为90%。

2.2 回流比的影响

配制乙醇质量分数为90%的溶液作为原料液，固定溶剂比=1.6，分别在回流比为1、2、3、4的条件下进行萃取精馏操作，测定塔顶乙醇质量分数，结果如图3所示。

由图3看出，当回流比逐渐增大时，塔顶产品乙醇的质量分数逐渐增大，而且回流比在3之前影响较大。当回流比>3时，塔顶产品乙醇的质量分数随回流比的增大变化不大，因此，适宜回流比可取3。

图3 回流比的影响Fig.3 Effect of reflux ratio图4 溶剂比的影响Fig.4 Effect of solvent ratio

2.3 溶剂比的影响

配制乙醇质量分数为90%的溶液作为原料液，固定回流比为3的条件下进行萃取精馏操作，探讨溶剂比的影响，结果如图4所示。

由图4看出，当溶剂比>2.1时，产物乙醇的质量分数>99%；溶剂比为2.6时，塔顶所得的乙醇质量分数可达到99.62%；而当溶剂比>2.6后，塔顶产品乙醇的质量分数反而有所减小，因此综合考虑选取适宜溶剂比为2.6。

2.4 正交试验

通过单因素实验确定了精馏操作的适宜条件，以塔顶乙醇质量分数为考察指标，选择不同原料乙醇质量分数、不同回流比、不同溶剂比，按正交表L9(34)进行正交试验设计[8-9]，根据各因素适宜条件设计各因素的水平见表1。正交实验设计方案安排及实验结果见表2。

表1 因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal design

由表2可知，各因素水平变动对实验结果影响的大小可通过各因素各水平的极差R值来反映。在原料乙醇质量分数、溶剂比、回流比这3个因素中，影响萃取工艺的因素主次依次为B(溶剂比)>A(原料乙醇质量分数)>C(回流比)，即各因素对萃取精馏提取乙醇的工艺影响的重要性依次为溶剂比对工艺影响最大，其次是原料乙醇质量分数，最后是回流比。用乙二醇法萃取精馏制备无水乙醇的最优操作方案是原料乙醇质量分数为90%、溶剂比为2.6、回流比为4。