间歇萃取精馏乙醇-异丙醇物系的研究

隋海东

（吉林市吉化北方锦江石化有限公司，吉林省吉林市 132022）

乙醇和异丙醇都是日常生产生活中常见的化工原料，它们被广泛的应用到制药工程、电子工业、塑料、涂料及精细化工等领域中，用途十分广泛。而在制备杂环化合物、合成医药原料及加工含酒精饮料等化工生产过程中，会经常使用乙醇、异丙醇的混合物作为介质和提取剂[1]，因此生产过程中产生的废液多以乙醇、异丙醇混合物为主。为了节约成本，减少废液的产生，常常研究从废液中分离出乙醇和异丙醇原料实现再回收利用。

乙醇的沸点是78℃，异丙醇沸点为82.45℃，两者沸点相差不大，结构和化学性质相似，利用普通的精馏难以实现两者的分离，因此需要使用特殊的精馏方式来达到分离的目的。例如变压精馏[2-3]、加盐萃取精馏[4-5]、共沸精馏[6-7]及萃取精馏[8-9]等。曹裕清等[10]研究利用减压精馏的方式分离乙醇与异丙醇二元混合物，研究结果表明：在以金属螺旋弹簧柱为精馏柱填料时，当真空度为93.33kPa 时，分离出乙醇的摩尔分数可达到0.860。张鸾等[6]将1-己烯作为乙醇-异丁醇体系的共沸剂（乙醇与异丁醇不能共沸，但是1-己烯仅与乙醇共沸），进行共沸精馏实验，结果表明1-己烯能够成功分离乙醇-异丙醇混合物，当共沸剂与乙醇质量比为4∶1时，塔釜异丙醇质量分数可达到99.77%。

二甲基亚砜（DMSO）是一种含硫有机化合物，有着“万能溶剂”之称[11]。DMSO 因其高沸点、良好的热稳定性以及高极性等特征，在工业生产和科学研究中用途十分广泛，萃取精馏方面常被用作萃取剂使用。在本实验研究中，DMSO 的沸点远高于乙醇和异丙醇，并且具有热稳定好，易于回收，经济实惠等优势，所以选择二甲基亚砜作为乙醇-异丙醇物系的萃取剂，应用于萃取精馏实验研究。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验在间歇萃取精馏塔中进行（如图1），塔高3m，塔径为50mm，塔内装θ 环填料。塔釜由调温电热套加热，用调压器调节釜温和气化速率，塔顶为循环式冷凝冷凝器，塔顶蒸汽经冷凝器冷凝后部分回流，采用回流比控制器控制回流比。

图1 萃取精馏实验装置

1.2 实验原料

实验中所用的原料均为分析纯。乙醇：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。异丙醇，二甲基亚砜：麦克林试剂公司。

1.3 实验分析条件

安捷伦7820 气相色谱仪（安捷伦科技（中国）有限公司），色谱柱：HP-1，50m×0.25mm×0.5μm。色谱分析条件：柱温初始35℃，保留时间5min；以5℃/min 升温至200℃，保留时间10min；FID 检测器为氢火焰检测器，温度300℃；进样室温度200℃；分流比100∶1；载气为氮气。进样量：0.2μL.

1.4 实验步骤

将乙醇和异丙醇以3∶7的比例混合后投入到塔釜中，加热至回流，在全回流状态下使塔内建立稳定的浓度梯度。待稳定后，从塔顶按一定的流速加入萃取剂，全回流操作60～70min，直至稳定，以此降低馏出物料中异丙醇的含量。之后按一定的回流比采出并分析物料组成。本研究主要考察使用二甲基亚砜作萃取剂时，萃取剂加入流速和实验中的回流比等条件对萃取精馏过程的影响（以馏出物料中乙醇和异丙醇含量为参考）。因为乙醇的沸点略低于异丙醇，故塔顶先馏出的是乙醇。因此在本研究的乙醇-异丙醇物系中，塔顶馏出液中乙醇的含量越高，说明越有利于萃取精馏，分离效果越好。

2 结果与讨论

乙醇与异丙醇的沸点差仅为4℃，混合物难以通过精馏方式分离，因此考虑通过萃取精馏方式分离，萃取剂的选择是关键。一般来说，萃取剂的极性越强，它的选择性能也会越强。二甲基亚砜是一种强极性的非质子溶剂，经常用于萃取精馏分离实验中。本实验选择二甲基亚砜作萃取剂用于分离乙醇-异丙醇物系研究，实验情况分析如下。

2.1 二甲基亚砜流速对萃取精馏的影响

实验中保持回流比为6，改变萃取剂加入流速，以检验萃取剂流速对萃取精馏实验分离效果的影响。不同萃取剂流速对馏出物料中乙醇和异丙醇含量的影响如表1所示。

由表1可知，固定回流比不变时，随着萃取剂加入流速的增加，塔顶馏出产品中乙醇的含量逐渐增加，当萃取剂流速达到15mL/min 后，塔顶馏出产品中乙醇含量增加的幅度减小。这是因为随着萃取剂流速的增大，在塔内和物料作用的溶剂量增加，二甲基亚砜对异丙醇的作用力增强，同时稀释作用也变大，增加了两者之间的相对挥发度，因此分离效果变大。但是为了增加塔顶馏出产品中乙醇的含量而一味地增加萃取剂加入流速，并不可取。因为这样不仅会增加萃取剂用量从而造成萃取剂回收困难，同时增加了萃取精馏塔的负荷而造成了能耗增加。因此从经济与操作方面考虑，萃取剂加入的流速不易过大，应选择合适的萃取剂流速范围。

2.2 回流比对萃取精馏的影响

实验中固定萃取剂加入的流速为15mL/min，改变回流比，以检验回流比对萃取精馏实验分离效果的影响。不同的回流比对馏出物料中乙醇和异丙醇含量的影响如表2所示。

表2 回流比对分离效果的影响

由表2可见，塔顶馏出产品中乙醇的含量随着回流比的增加而增加，在本实验设定的条件下，当回流比为10时，产品中乙醇含量可达到89.87%。这是因为增大了回流比相当于提高了塔内气流的接触程度，使得分离效果提高。但是当回流比过大时，相同时间内馏出物料的量会较少，即产能降低。相当于在相同的产能下，延长了操作时间，使得能耗增加，不利于控制工业成本。因此，在实际的工业生产中，回流比并不是越大越好，要在一定的萃取剂加入流速下达到一定的分离效果，应选择合适的回流比，尽可能地降低回流比。

3 结论

间歇萃取精馏的方法可以用于分离沸点差较近的乙醇-异丙醇物系，二甲基亚砜作萃取剂时用于分离乙醇-异丙醇物系，分离效果较好：当回流比不变时，随着二甲基亚砜萃取剂加入流速的增加，乙醇-异丙醇混合物的分离效果增大；当萃取剂加入流速不变时，随着回流比的增加，乙醇-异丙醇混合物的分离效果增大。但是增加流速或者回流比，意味着同时增加了能耗，因此，实际工业生产中要根据现实情况，选择合适的工艺参数。