间歇萃取精馏分离乙腈-正丙醇共沸体系的模拟和实验研究

2023-07-03吴子波李南锌

化工设计通讯 2023年6期

吴子波，李南锌，罗橙，刘琴

（西南化工研究设计院有限公司，四川成都 610043）

乙腈和正丙醇[1]是某制药厂生产过程中产生的废料，将其分离开具有重要的经济效益和环保效益。但该体系常压下共沸，综合考虑后用间歇萃取精馏方法分离该物系。首先利用UNIFAC 结合EWELL 理论，选定DMF 和异戊醇作为分离该体系的萃取剂，然后利用ChemCAD 进行模拟获得精馏操作条件，之后进行了实验验证。

1 萃取剂的选择

崔现宝[2-3]根据溶剂的选择性定义式推导出了一种选择溶剂的方法。该方法是对UNIFAC 筛选萃取剂的一种改进，可以较直观地筛选出合适的萃取剂；但是该方法对部分满足筛选条件的基团不能够量化选择，对这部分基团的选择具有一定的随机性。

Ewell 等[4]认为分子之间的作用力主要是氢键的贡献，所以他将物质按照氢键作用分成五类，根据与拉乌尔定律的偏差程度来筛选萃取剂，作为经验方法不易实践，但是作为一种辅助手段是可行的，对于崔现宝提出的筛选方法部分满足条件的基团，用该理论辅助选择，选择合适的萃取剂。

结合崔现宝和EWELL 理论选定主基团为ACH、HCOO、DMF、OH、DOH，综合表1 溶剂筛选条件和经验，确定萃取剂为DMF 和异戊醇。

表1 溶剂筛选条件

2 间歇萃取精馏的模拟

2.1 本文的模拟流程

本研究运用的过程模拟工艺流程如图1所示。分三步进行：第一步经萃取剂全回流后，采出99%的乙腈产品；第二步以温度为指标，采出过渡馏分，蒸出大部分乙腈；第三步采出95%的正丙醇。因为萃取剂和正丙醇沸点相差较多，简单蒸馏即可分离，不进行重点考虑。

图1 间歇萃取精馏模拟流程图

2.2 模拟结果

考虑到能耗，主要考察99%（质量分数）以上的乙腈的回收率情况（回收率计算采用产品采出量与原料量的比值，不计塔板持液量），原料以共沸组成进料，其余初始条件如表2所示。

表2 模拟的初始条件

Wilson 和NRTL 模型关联参数采用文献[5-9]提供的参数及中国科学院过程工程研究所工程化学数据库提供的相平衡数据关联所得。

模拟初步结果分别见图2～图7。分别为收率随萃取剂进料温度、萃取剂进料位置、萃取剂进料量、回流比、理论板和持液量的变化。

图2 收率随萃取剂进料温度的变化

由图2可知，随着进料温度的升高，收率有一定上升，在高于一定温度时收率有一定下降，分析是当进料温度和同样位置的塔内温度不一致时，干扰了塔内传热和传质的进行，破坏了萃取精馏的进行，影响了收率的大小，所以萃取剂进料温度，DMF 萃取以40～60℃为宜，异戊醇萃取以30～50℃为宜。

同理，图3亦如此，进料位置和塔内温度一样才能不干扰萃取精馏的进行。同时对比两种萃取剂发现DMF 萃取以萃取段为主，而异戊醇萃取时精馏段也至关重要，分析可能是萃取剂沸点较低，影响了萃取效果。所以，DMF 萃取剂进料位置以3～4块为宜，异戊醇萃取以4～6块为宜。

图3 收率随萃取剂进料位置的变化

图4为收率随回流比的变化，可见随着回流比的增大，收率不断变大，但是回流比大意味着更高的能耗和生产时间，综合认为DMF 萃取回流比以6～8为宜，异戊醇萃取回流比以5～6为宜。

图4 收率随回流比的变化

图5为收率随理论板数的变化，收率随着理论板数的增加在变大，当理论板数超过一定值时，收率基本不再变化。说明塔板的增大有利于乙腈的回收，但是乙腈正丙醇分离能力是一定的并且间歇萃取精馏的塔釜物质量是一定的，当理论板过大时，一部分塔板处于闲置状态，而且影响传质效果，所以综合认为塔板数DMF 萃取以20～25块为宜，异戊醇萃取以18～22为宜。

图5 收率随理论板数的变化

图6为收率随塔板持液量的变化，随着塔板持液量的变大，收率也在变大，当持液量超过一定值以后，收率随着持液量增大变小，分析随着持液量增大，更多的物质得以进行传质，效率变大；当持液量过多时，过多的持液量影响了轻重组分的传质分离和塔釜存液量反而不利于传质的进行。综合持液量，DMF 萃取以15～35 mL 为宜，异戊醇萃取以40～50 mL 为宜。

图6 收率随持液量的变化

图7为收率随萃取剂进料量的变化，当萃取剂进料量太小时没有合格产品流出，当超过一定值时，收率随萃取剂进料量的增加而逐步增加，直至达到稳定值，但是由于精馏塔釜控制因素为加热功率，恒定加热功率的情况下，过多的萃取剂不利于精馏的进行，故当萃取剂超过一定值之后，收率开始下降。综合认为DMF 萃取以1～1.2 kg/h 为宜，异戊醇萃取以0.8～1.5 kg/h 为宜。