反应精馏和共沸精馏的研究进展

反应精馏和共沸精馏的研究进展

摘要：在化工领域，精馏是一种很重要的液体混合物分离方法，但是对于例如相对挥发度接近于1或能够形成共沸物的复杂体系普通精馏并不适用，一方面是会增大操作的能耗，另一方面甚至无法分离待分离组分。

关键词：；蒸馏；汽液平衡；反应精馏；共沸；分离

特殊精馏是在普通精馏的基础上发展起来的一种新型精馏方法，通过向体系中加入第三组分与原体系的各组分发生相应的作用进而改变各组分之间的相对挥发度，使难分离系统的分离变得可行、有效。相较于普通精馏，特殊精馏可以分离更加复杂的混合物体系。根据加入的第三组分种类的不同，特殊精馏可以分为共沸精馏、萃取精馏和反应精馏等。

1 反应精馏研究进展

1.1介绍

反应精馏是生产设备进行化学反应的同时进行精馏操作的方法，需要注意的是加入的第三组分必须要能够与被分离组分发生可逆化学反应，以此来改变各组分之间的相对挥发度。反应精馏实现了两个操作在一个设备中的同时进行，一方面通过精馏将产物及时分离可以促进化学反应正向移动提高产物的收率，另一方面可以利用化学反应产生的热量来为精馏操作提供能量，达到节能的效果。但是其反应产物的沸点必须和反应物的沸点在数值上有较大的差异来满足实现精馏的条件。另外由于大多数反应需要用到催化剂，所以精馏温度也要选择恰当，不能够影响化学反应的进行和降低催化剂的活性与选择性。

1.2研究进展

1.2.1 合成丙二醇甲醚乙酸酯

南京工业大学的蔡鑫磊、黄益平等人将反应精馏应用到丙二醇甲醚乙酸酯制

造工艺上，通过以PM、甲苯、醋酸甲酯和丙二醇二乙酸酯等试剂作为原料先进行

间歇反应寻找合适的反应催化剂后再利用反应精馏塔进行目标产物的合成。对塔

顶采出物进行气相色谱分析后，得出以甲苯作为反应的带水剂的结论，并确定较

优的工艺条件为进料液中乙酸和PM的摩尔比为1.2，甲苯的添加量为15kg/h，

精馏段理论板为11块，反应段理论板为22块，提馏段理论板为6块，塔顶采出

量为460kg/h。

1.2.2 合成苯甲酸异丁酯

辽宁工业大学的陈强强等人成功使用反应精馏方法制造出苯甲酸异丁酯产品，并且通过研究确定了精馏操作回流比、反应精馏时间、原料配比和催化剂用量等

一系列对反应转化率有影响的因素的最佳操作条件。

得到反应产物后再进行酸值测定、酯化率计算和产品测试，得到了最佳反应

条件为：进料中苯甲酸为30g，异丁醇与苯甲酸的摩尔比为5,精馏塔回流比为3,

操作时间为2h,催化剂用量为苯甲酸质量的8.33%,环己烷带水剂60mL[3]。

1.3发展方向

（1）反应精馏具有很大的应用前景，但是有些反应的转化率和收率并不高，未来需要进一步研究反应相关的机理，寻找例如混合离子液体催化剂等高活性、

长寿命的新型催化剂来提高某些或某类反应的选择性和转化率或扩宽反应的温度

范围，使反应精馏适用于更加广泛的体系。

（2）精馏的能耗也是人们关注的一个重点，反应产生的反应热如何更加高

效地被利用于精馏操作是需要重点研究的方向，未来学者们可以寻找更多可行有

效的热循环方法使反应精馏塔内的温度保持稳定。

（3）由于反应精馏过程分离与反应的复杂性，精馏塔的性能预测较难实现。目前国内外许多学者提出了例如平衡级模型、非平衡级模型和非平衡池模型等过

程模拟模型，未来开发更多新型的理论分析模型是一个重要的研究方向，这会为

反应精馏的模拟提供更加有效的帮助。

2 共沸精馏研究进展

2.1介绍

共沸精馏中加入的第三组分会与原待分离体系内的某一或多种组分形成最低

共沸物，并从塔顶蒸出，该第三组分常被称为共沸剂。共沸物产生的原因是非理

想性溶液中各组分的分子间相互作用力不同，其中氢键起主导作用。共沸精馏的

种类有很多，如变压精馏、均相及非均相共沸精馏和二元三元非均相精馏等。共

沸精馏较其他种类的特殊精馏，在相同的压力条件下，操作温度最低，所以很适

合分离热敏性组分体系。但是共沸精馏因为必须要有共沸物的形成，所以在第三

组分的选择上非常严苛和有限。

2.2研究进展

2.2.1 四氯乙烯脱水

传统工艺上对四氯乙烯产品的脱水是使用氯化钙干燥剂来进行，这种做法虽

然能够实现产品脱水的目的，但是操作过程复杂，成本较高，产生的氯化钙固体

废弃物也会对环境产生很大污染，这急切需要一种简单环保的方法来改变生产状况。

根据四氯乙烯能和水产生共沸物并且沸点有所差异的特点，周强等人使用共

沸精馏方法对四氯乙烯-水体系进行操作后得到塔顶共沸物。塔顶共沸物中的水

与四氯乙烯又不互溶，经过后续的冷凝操作后会发生分层现象，进而可以得到纯

度极高的四氯乙烯产品。更重要的是本流程不需要加入共沸剂便可进行，避免了

引入新的杂质。此工艺操作简单、脱水效果良好，通过共沸精馏的方法节约了操

作费用，更提高了四氯乙烯的纯度，为四氯乙烯的脱水回收做出了指导性的启示。

2.2.2 丙二醇甲醚回收

丙二醇甲醚是一种很重要的环保型有机试剂，在纸张加工处理等化工过程中

都会生产很多丙二醇甲醚废液。将废液中的丙二醇甲醚回收可以实现原料的再利用，提高经济性，对环境的保护也有重要的意义。

国内郗伟和李涛等人利用乙醇溶液作为共沸剂进行共沸精馏高效地分离出来

废液中的丙二醇甲醚。他们通过大量实验、气相色谱分析和理论数据分析，得出

最佳的操作流程为先在回流比为1-2之间时使塔顶温度稳定在115℃进行35min

的全回流操作使低沸点共沸物蒸出。当低沸物全部蒸出后继续保持塔内的压力和

回流比不变，将精馏塔继续升温，进行精馏操作65min之后得到温度区间115-120℃的塔顶采出物即为丙二醇甲醚，当塔顶温度为125℃时便可停止加热。在最

佳的条件下，丙二醇甲醚的浓度可以达到96.58%，高质量的满足了溶剂回收的要求。

2.3发展方向

（1）在实际生产中，共沸精馏可以与其他分离过程进行集成，这样可以实

现共沸剂的循环回收和产物的高纯度分离。如何有效地将共沸精馏与其他分离过

程集成是未来研究的一个重点方向。

（2）共沸精馏由于带有循环，其理论预测、模拟计算和过程机理比较复杂，需要先进行简捷计算后才能对该过程进行严格计算。所以开发专对于共沸精馏的

设计、模拟计算方法和研究清其过程机理也是一个需要重视的研究方向。

3 结语

通过反应精馏和共沸精馏在化工领域的研究与应用，可见特殊精馏在现代化

工生产和分离领域有着很重要的地位，这些方法在许多非理想体系的分离过程有

着不错的优势。

参考文献

[1]付强,王建刚,张吉波.特殊精馏的应用及进展[J].山东化

工,2017,46(24):67-68.

[2]蔡鑫磊,黄益平,孙玉玉,等.反应精馏合成丙二醇甲醚乙酸酯的研究与模

拟优化[J/OL].现代化工:1-6.