二甲基乙酰胺水溶液的萃取分离研究

二甲基乙酰胺水溶液的萃取分离研究
刘建华;于海波
【摘要】主要介绍了液液萃取法和精馏法回收废水中DMAC.讨论了液液萃取法中萃取剂的选择及对萃取平衡影响的因素:pH值、温度、氯化锂含量等,并讨论了多级萃取理论级数的计算和实验验证.通过对比萃取和精馏两种方法,萃取-分馏法是最好的选择.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2013(041)016
【总页数】2页(P22-23)
【关键词】二甲基乙酰胺;萃取;精馏;回收
【作者】刘建华;于海波
【作者单位】陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司,陕西榆林719319;陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司,陕西榆林719319
【正文语种】中文
【中图分类】TQ914.1
二甲基乙酰胺 (DMAC)是一种优的催化剂和强极性溶剂，工业价格高但有毒性，随着其工业应用的日益广泛，若不进行回收处理，势必严重污染环境，并造成巨大的经济损失，所以，二甲基乙酰胺的相关研究具有十分重要的现实意义。

关于处理含DMAC废水，主要有两个方面:液液萃取法及精馏法回收DMAC。

1 萃取法回收与处理含DMAC废水的研究
萃取与其他分离溶液组分的方法相比，优点在于常温操作，节省能源，不涉及固体、气体，操作方便。

萃取在如下几种情况下应用，通常是有利的:①料液各组分的沸
点相近，甚至形成共沸物，为精馏所不易奏效的场合，如石油馏分中烷烃与芳烃的分离，煤焦油的脱酚;②低浓度高沸组分的分离，用精馏能耗很大，如稀醋酸的脱水;③多种离子的分离，如矿物浸取液的分离和净制，若加入化学品作分部沉淀，
不但分离质量差，又有过滤操作，损耗也大;④不稳定物质(如热敏性物质)的分离，如从发酵液制取青霉素。

萃取的应用，目前仍在发展中。

元素周期表中绝大多数的元素，都可用萃取法提取和分离。

萃取剂的选择和研制，工艺和操作条件的确定，以及流程和设备的设计计算，都是开发萃取操作的课题。

单级萃取对给定组分所能达到的萃取率 (被萃组分在萃取液中的量与原料液中的初始量的比值)较低，往往不能满足工艺要求，为了提高萃取率，可以采用多种方法:①多级错流萃取。

料液和各级萃余液都与新鲜的萃取剂接触，可达较高萃取率。

但萃取剂用量大，萃取液平均浓度低。

②多级逆流萃取。

料液与萃取剂分别从级联(或板式塔)的两端加入，在级间作逆向流动，最后成为萃余液和萃取液，各自从另一端离去。

料液和萃取剂各自经过多次萃取，因而萃取率较高，萃取液中被萃组分的浓度也较高，这是工业萃取常用的流程。

③连续逆流萃取。

在微分接触式萃取塔(见萃取设备)中，料液与萃取剂在逆向流动的过程中进行接触传质，也是常用的工业萃取方法。

料液与萃取剂之中，密度大的称为重相，密度小的称为轻相。

轻相自塔底进入，从塔顶溢出;重相自塔顶加入，从塔底导出。

萃取塔操作时，一种充满
全塔的液相，称连续相;另一液相通常以液滴形式分散于其中，称分散相。

分散相
液体进塔时即行分散，在离塔前凝聚分层后导出。

料液和萃取剂两者之中以何者为分散相，须兼顾塔的操作和工艺要求来选定。

此外，还有能达到更高分离程度的回流萃取和分部萃取［1］。

1.1 模拟废水的制备
实验料液为所配制的废水模拟体系，其重量组成77%的水，20%的DMAC和3%的氯化锂。

1.2 平衡实验
单级萃取操作如下:按所需相比吸取萃取剂与料液放入锥形瓶中后，置于水浴振荡器，在所需温度下，以200次/min的速度振荡5 min，取出混合液倒入离心桶分离，在4000 r/min下离心10 min，将上层清液的浓度做适当稀释，并用同样稀
释倍数的与萃取剂达平衡的去离子水做空白，在紫外分光光度计上，测定萃余液中DMAC的浓度。

1.3 萃取剂的选择
选择了几种工业上应用较广，回收方法较成熟的低沸点溶剂(三氯甲烷、三氯乙烯、乙酸丁酯、异丙醚)对DMAC进行萃取实验。

根据相似相溶的原理，萃取机理应是物理溶解萃取。

在选择萃取剂时，除了要考虑它对DMAC具有较好的萃取性能外，还需考虑以下几点:萃取剂在水中的溶解度低，以减少萃取剂夹带损失，并保证分
离效果;与水的分相好，传质速度快，不易乳化夹带;容易回收［2］。

对比各溶剂分配系数，氯仿对DMAC的萃取分配系数远大于其它三种溶剂。

同时它的其它物性也适合于作萃取剂，因此决定选用氯仿来作为处理含DMAC废水的萃取溶剂。

1.4 pH值对萃取平衡的影响
DMAC是两性化合物，等电点偏碱性，pH值是影响废水性质和萃取效果的重要
参数。

通过pH及分配系数的实验数据作图得出结论:在pH值大于6后，pH值对氯仿在水中溶解度的影响不大，这可以减少溶剂的损失，对萃取有利。

因此，建议在碱性条件下实现对废水中DMAC的萃取回收。

1.5 温度对萃取平衡的影响
温度是萃取操作的一个重要影响因素，在选择萃取温度时，应尽可能使它在废水温度附近，这样就不必增加热交换工序，会降低能耗。

实验选择了20℃，25℃，30℃，35℃，40℃五个温度来进行比较，由实验结果知:随温度升高，氯仿在水中溶解度下降，在常温附近，变化不大。

根据实验结果可以选择在常温下对废水中DMAC进行萃取回收。

1.6 氯化锂含量对萃取平衡的影响
废水中常常含有少量的氯化锂，因此有必要考察氯化锂含量对萃取过程的影响。

由实验结果知:当氯化锂浓度在0～10%左右时，随氯化锂浓度的增加，分配系数有所升高，但分配系数D变化不大。

在实验过程中可观察到，随氯化锂浓度增加，萃取过程中的乳化现象得到减弱，有利于油水两相更好的分离。

1.7 多级萃取理论级数的计算及实验验证
拟合30℃时氯仿萃取DMAC的平衡曲线。

将三氯甲烷与DMAC萃取体系近似为溶剂不互溶体系。

利用30℃时所测定的平衡曲线关系，计算并用实验验证使实验废水中20%(W/W)的DMAC含量降低至300 mg/L以下时所需要的逆流与错流萃取级数。

同时对计算结果和实验结果进行比较。

计算值和实验值存在一定的偏差，随级数的增加，实验值与计算值的偏差也增加，这主要是由于实验中不可避免存在萃取剂和萃余液的损失，并且随着级数增加，萃余液和萃取剂的损失也越来越大，使理论值与实际值之间的偏差也随之变大。

理论计算时5级即可达到要求，但在实验验证时，要用6级才能满足萃取率的要求。

通过以上实验说明，用萃取法可实现将废弃溶剂中含量约为20%的DMAC回收的目的，且采用四级错流萃取或5级逆流萃取的萃取率在99%以上。

对各种萃取方式进行比较，一般说来采用错流萃取不仅增加萃取剂用量，还致使有机相内DMAC浓度大大降低，增加后续反萃或浓缩工艺的负担，因此工业上多采用逆流操作方式。

综上所述，建议选用六级逆流方式来实现对废水中DMAC的萃取回收［3］。

2 差压热耦合精馏法回收与处理含DMAC废水的研究
二甲基乙酰胺作为优良的有机溶剂，在其应用过程中，产生大量的含DMAC废水，质量分数一般在20%～35%。

对此类废水进行处理回收DMAC具有重要的意义。

由于DMAC的沸点比水高，采用蒸馏方法进行回收时，需要蒸发大量的水;由于水的热容较大，因此用常规蒸馏法处理该废水能耗很大。

目前该类废水的回收除了用常规精馏法外还有萃取精馏法，但能耗也比较大。

热耦合精馏是一种有效的节能精馏技术。

本文中采用了一种新的节能型差压热耦合精馏工艺，该工艺能充分利用塔顶水蒸气潜热，以达到大幅度节能的目的。

该工艺还具有工艺简单、不引入第3
组分等优点，通过过程模拟与参数优化，以期得到相关的工艺操作参数，为含DMAC废水回收处理提供一条新的节能工艺路线。

差压热耦合精馏流程是将常规精馏塔分割为2个精馏塔，将原来的精馏段作为常
压塔 (T1)，提馏段作为负压塔 (T2)。

T2塔采用负压操作的目的是为了降低塔釜温度，因此就可以利用常压塔塔顶蒸汽的潜热来加热该塔塔底的再沸器，进行两塔塔顶和塔底的热耦合，实现精馏过程的大幅度节能。

为比较单塔精馏与差压热耦合精馏的能耗以及得到差压热耦合精馏的基础数据，首先对单塔精馏工艺进行模拟计算，得到精馏段和提馏段的塔板数及能耗。

在此基础上，再对差压热耦合精馏工艺进行模拟与优化。

模拟计算中，T1塔的操作压力规
定为101 kPa、T2塔的操作压力规定为6 kPa，这样规定压力的原因是T1塔顶温度达100℃，而T2塔底的温度为86℃，保证了必要的传热温差。

根据单塔精馏
模拟结果，T1塔的塔板数定为10块、T2塔的塔板数定为15块。

T1塔顶废水采出量定为1875 kg/h，T2塔底DMAC采出量定为625 kg/h。

采用差压热耦合精馏工艺，通过把常规精馏塔分割成串联的常压塔和负压塔两个塔，可以实现塔顶蒸汽与塔底再沸器热量的耦合匹配，大幅度降低精馏过程的能耗。

采
用NRTL－RK方程计算含DMAC废水体系的气液相平衡数据，并通过过程的模拟与优化，得到了差压热耦合精馏的最佳工艺参数和相关的塔设备参数。

差压热耦合精馏工艺可以节约能量约73.4%，节能效果显著［4－5］。

3 结语
通过对比萃取和精馏两种方法回收二甲基乙酰胺。

考虑到精馏法费时长，能耗高，且由于长时间的蒸馏，少量DMAC分离成二甲胺，因此萃取－分馏法是最好的选择。

这对于降低成本、扩大再生产、环境保护和三废治理都有重大意义。

参考文献
［1］李州.液液萃取过程和设备［M］.北京:原子能出版社，1993:262－263. ［2］魏文德.有机化工原料大全［M］.北京:化学工业出版社，1989:98－120. ［3］林泉，朱慎林，戴猷元.溶剂萃取法回收与处理含DMAC废水的研究［J］.
水处理技术，2008，28(4):196－199.
［4］孙兰义，扎寇，奥鲁轶驰.内部热耦合精馏塔构型研究［J］.化学工程，2006，34(11):4－7.
［5］李洪，李鑫钢，罗铭芳.差压热耦合蒸馏节能技术［J］.化工进展，2008，
27(7):1125 －1128.。