_间二甲苯和间甲基苯甲酸分离提纯工艺的研究
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原料中 Mx 常压 下为液 态 , 系原 料中 的较轻 组 分 。 首先通过静置过滤法初步分离出液态的混和物 , 然后用常压精馏来提纯 Mx[ 5、6] 。 开始阶段采用全回 流操作(约70 min), 是轻组分在塔顶富集 ;接着 , 采用 大回流比将轻组分杂质脱除 , 同时又避免大量 Mx 被 蒸出 , 此阶段为杂质脱除段 ;当塔顶馏出物中的 Mx 浓度达到要求时 , 开始收集 , 此后采用恒回流比操作 , 得产品(Ⅰ):然后 , 稍稍调大回流比 , 在这过程得到产 品(Ⅱ):到分离后期 , 再次提高回流比 , 保证 Mx 纯度 始终在要求的范围之内 , 此时收集产品(Ⅲ);残留在 釜中的残液为杂质段 。回流比变化如图 1 所示 。
Mx 为无色液体 , 凝固点 -47 .9 ℃, 沸点 139 .1 ℃, 不溶于水 ;间 甲基苯 甲酸为 白色 或黄 色晶 体 , 熔 点 111 ～ 113 ℃, 沸点为 263 ℃, 不溶于水 :IPA 外 观为白 色结晶性粉末或针状结晶 , 熔点 345 ～ 347 ℃, 能升华 , 易溶于甲醇 、乙醇 、丙酮和冰醋酸 , 微溶于沸水 , 不溶 于苯 、甲苯和石油醚 。 1 .1 .2 分离方法的确定
图 2 间歇精馏装置图
任艳奎等 间二甲苯和间甲基苯甲酸分离提纯工艺的研究 2005 .Vol .19 , No .7 化工时刊
3 间甲基苯甲酸的实验结果与讨论
1 —转子驱 动 马 达 ;2— 加 热 夹 套 ;3 — 冷 凝 管 ;4— 刮 膜 转 子 ; 5 — 冷凝水出口 ;6— 冷凝 水 进口 ;7— 重 组 分收 集瓶 ;8 — 进料 器 ;9— 冷阱 ;10 — 轻组分收集瓶 ;11 — 油扩散泵 ;12— 旋转真空
以在远低于常压沸点的温度下挥发 , 分离度比常规蒸 馏有显著的提高[ 7～ 9] , 当间甲基苯甲酸凝结在冷凝管 上 , 可以在进料完毕后 , 通过加热套来融化间甲基苯 甲酸 , 以实现采集回收 。 因原料中既有轻组分杂质 , 也有重组分杂质 , 因此试验工艺分为两步 :首先脱除 包括溶剂和间二甲苯在内的轻组分 ;随后以重馏分残 留物为原料 , 脱除间苯二甲酸等重组分 。 具体方法如 下 :将固态原料(含少量间二甲苯)从进料器经加热计 量后进入分子蒸馏装置内 , 在刮膜器的作用下 , 均匀 地分布于蒸发器表面 , 蒸发表面温度由导热油精确控 制 。在高真空条件下 , 轻组分以气体状态径直飞向中 间的冷凝器并凝结成固体 , 重馏分沿蒸发器筒体内壁 进入重组分收集器 。 为了防止挥发性组分进入真空 泵 , 须在蒸发器和真空泵之间设置冷阱 , 其中放置液 氮作为深冷剂 。 1 .2 装置与流程
3 .1 进料速率和进料温度对分离效率的影响 进料速率是影响短程蒸馏分离效果的一个重要
因素 。 进料速率的快慢主要影响物料在蒸发壁面上 的停留时间 。选取适宜的进料速率对提高产品的含 量和收率有重要影响 。 图 5 表明在进料温度 130 ℃, 蒸发温度 I 为 140 ℃, 操作压力80 kPa ;蒸发温度 II 为 130 ℃, 操作压力 200 Pa 和刮膜器转速160 r/min时 , 不 同进料速率对间甲基苯甲酸含量与收率的影响 。 从 图 5 可以看出 , 它的最佳进料速率为65 mL/h 。 当进 料速率小于65 mL/ h 时 , 产品含量和收率较小 , 这说 明进料速率太小 , 停留时间变长 , 一级分离时原料中 的部分甲基苯甲酸与杂质被蒸到中间冷凝器上 , 导致 产品含量与收率下降 :相反 , 当进料速率大于65 mL/ h 时 , 停留时间过短 , 轻组分杂质来不及被蒸发 、去除 , 同时在二级分离中部分间甲基苯甲酸与重组分杂质 一起切除 , 同样影响产品质量和收率 。
图 2 中有效填料段高度1 .5 m , 塔柱直径25 mm , 内装 3 mm ×3 mm 的高效不锈钢 9 环填料 。图 3 中操 作系统绝对压力可达0 .1 Pa , 蒸发温度 30 ～ 320 ℃。
2 间二甲苯的实验结果与讨论
2 .1 最小理论塔板数和最小回流比的确定 液态原料为多组元混和物 , 必须确定分离过程的
Key words m -Xylene m -Toluic IPA distillation molecular distillation
间甲基苯甲酸是以间二甲苯为原料 , 在环烷酸钴 催化剂的作用下 , 于 125 ～ 135 ℃, 0 .2 MPa经空气氧化
制得 。 但反应过程中 , 间二甲苯过量 , 所以 , 需要把间 二甲苯溶剂分离出来加以回收利用 , 同时获得高纯度
第 19 卷第 7 期 2005 年 7 月
Chemica化l I工nd时us刊try
Times
VJoull..179.,2N0o05.7
科 技 进 展
《Advances Science &Technology》
间二甲苯和间甲基苯甲酸分离 提纯工艺的研究
泵Baidu Nhomakorabea
图 3 VKL70 短程蒸馏装置简图 2 .2 塔顶和塔釜温度的变化以及对产品纯度的影响
图 4 表明塔顶 、塔釜温度的变化以及对产品纯度 的影响 。 在全回流阶段 , 塔顶温度 、塔底温度和产品 纯度都升高 ;90 ～ 120 min大回流比操作 , 杂质脱除阶 段 , 釜温 、顶温逐渐升高 , 随着轻组分的切除 , 产品纯 度达到 99 .0 %;120 ～ 170 min恒回 流比操作 , 收集产 品 , 塔顶与塔釜温度分别稳定在 138 ℃和 156 ℃左右 , 纯度达到 99 .4 %以上 :170 ～ 200 min , 塔釜温 度有所 升高 , 产品浓度下降 , 增大回流比 , 产品纯度 保持在 99 .3 %;200 min , 釜温上升 , 再次增大回流比 , 保证产 品纯 度 在 99 .0 %以 上 ;260 min 时 , 产 品 纯 度 低 于 99 .0 %, 停止采出 。 整个过程约需4 .3 h , 系统压力为 常压 。
Abstract The experimental study for purification of m -Xylene and m -Toluic by normal pressure distillation and short —path distillation , and make sure the appropriate operate tactic and the safe operate condition of normal pressure distillation :the operate pressure is normal and the temperature of the reboiler is under 160 ℃with variable reflux .The concentration and average yield of the product is up to 99 .0 % and 63 .0 % respectively ;The effects of operating parameters of short —path distillation such as feed flow rate , feed temperature and evaporation temperature on separation efficiency of m Toluic had been discussed .Suitable operating parameters obtained from the experiment were :feed temperature above 125 ℃, feed flow rate 65 mL/ h , distillation temperature(I)145 ℃, operating pressure 80 kPa distillation temperature(II) 130 ℃, operating pressure 200Pa , rotor rate 130 ～ 150 r/ min .Through the mentioned method , a high purity product of 99 .0 % m -Toluic could be obtained , with total recovery of more than 65 .0 %.
任艳奎 许松林 栾礼侠
(天津大学精馏技术国家工程研究中心 , 天津 300072)
摘要 采用常压精馏和短程分子蒸馏技术对间二甲苯和间甲基苯甲酸 等的混合 物进行分离 研究 , 确定了常 压精馏的 操作 策略和安全的操作条件 :操作压力为常压 , 釜温低于 160℃, 得到产品的浓度和收率分达到 99.0 %和 63 .0%以 上 ; 通过 考察短程分子蒸馏的进料速率 、进料温度 、蒸发温度和刮膜器转速 等因素对 间甲基苯甲 酸分离效 果的影响 , 得到 了以 下工艺参数 :进 料温度 125℃以上 , 进料速 率65 mL/ h , 蒸 发温度(Ⅰ)为 145℃, 操 作压力80 kPa , 蒸发 温度(Ⅱ)为 130 ℃, 操作压力200 Pa刮膜转子转速 150 ～ 180 r/ min , 产品纯度和收率分别达到99.0%和 65.0%以上 。 关键词 间二甲苯 间甲摹苯甲酸 间苯二甲酸 精馏 分子蒸馏
进料温度对短程蒸馏的影响 。图 6 为进料速率 60 mL/ h , 蒸发温度 I :140 ℃, 操作压力80 kPa , 蒸发温 度 II :130 ℃, 操作压力 200 Pa , 转速160 r/min 时不同 进料温度对间甲基苯甲酸提纯的影响 。 当进料温度 较低(<125 ℃, >115 ℃)时 , 原料的粘度较大 , 在蒸馏 器中用于预热原料的蒸发面积增加 , 用于分离的有效 蒸发面积将减少 。随着进料温度的升高 , 用来预热原 料的蒸发面积减少 , 有效蒸发面积将增大 , 轻组分杂 质切除比较充分 。但随着进料温度的进一步升高 , 特 别是进料温度大于 200 ℃以后 , 在脱轻阶段 , 重馏分 中的部分间甲基苯甲酸跟杂质一起被切除 , 导致产品 中间甲基苯甲酸的含量与收率的下降 。
最小理论塔板数和最小回流比 。 采用文献[ 5、6] 中间 歇精馏最小理论塔板数(NT)和最小回流比(R e)的简 捷计算方法 :使间二甲苯与轻 、重组分切割并保持纯 度在 99 .0 %时的 NT , 和 Re 分别为 22 和 6 。因 此 , 在 最小回流比大于 6 的前提下 , 实验装置所用高效填料 柱的高度可以满足分离的要求 。
Study of the Purification of m -Xylene and m -Toluic
Ren Yankui Xu Songlin Luan Lixia
(National Engineering Research Center for Distillation Technology , Tianjin University , Tianjin , 300072)
收稿日期 :2005 -03 -07
作者简介 :任艳奎(1981 ～ ), 男 , 硕士生 ;许松林(1966～ ), 男 , 博士 , 硕士生导师 , 主要研究方向 :天然产物提纯与分离理论及应用 研究 , Email :slxu @ tju .edu .cn
—1 —
化工时刊 2005 .Vol .19 , No .7 科技进展《Advances Science &Technology》
图 1 实验过程中回流比的变化 间甲基苯甲酸的熔点较高 , 用真空精馏提纯 , 很 难从塔顶冷凝器上形成回流 , 而无法实现分离 、采集 的目的 。短程蒸馏(分子蒸馏)是在高真空度条件下 进行的非平衡连续蒸馏过程 。 分离过程中 , 混和物可
—2 —
1— 冷凝器 ;2— 温 度 计 ;3— 回 流 比 调 节器 ;4— 产 品 收 集 器 ; 5— 精馏柱 ;6— 烧瓶 ;7 — 调压加热套 ;8— 水银压差计
的间甲基苯甲酸[ 1～ 4] 。 本文应用常压精馏技术和短程分子蒸馏技术分
别分离提纯间二甲苯和间甲基苯甲酸 , 研究了操作压 力 , 温度等因素对产品的纯度和收率的影响 。
1 实验研究
实验原料为间二甲苯(Mx)、水 、间甲基 苯甲酸 、 间苯二甲酸(IPA)的混和物其中 IPA 的含量较小 , 主 要含量为 Mx 和间甲基苯甲酸 。 1 .1 分离提纯方法的确定 1 .1 .1 物理性质的研究
Mx 为无色液体 , 凝固点 -47 .9 ℃, 沸点 139 .1 ℃, 不溶于水 ;间 甲基苯 甲酸为 白色 或黄 色晶 体 , 熔 点 111 ～ 113 ℃, 沸点为 263 ℃, 不溶于水 :IPA 外 观为白 色结晶性粉末或针状结晶 , 熔点 345 ～ 347 ℃, 能升华 , 易溶于甲醇 、乙醇 、丙酮和冰醋酸 , 微溶于沸水 , 不溶 于苯 、甲苯和石油醚 。 1 .1 .2 分离方法的确定
图 2 间歇精馏装置图
任艳奎等 间二甲苯和间甲基苯甲酸分离提纯工艺的研究 2005 .Vol .19 , No .7 化工时刊
3 间甲基苯甲酸的实验结果与讨论
1 —转子驱 动 马 达 ;2— 加 热 夹 套 ;3 — 冷 凝 管 ;4— 刮 膜 转 子 ; 5 — 冷凝水出口 ;6— 冷凝 水 进口 ;7— 重 组 分收 集瓶 ;8 — 进料 器 ;9— 冷阱 ;10 — 轻组分收集瓶 ;11 — 油扩散泵 ;12— 旋转真空
以在远低于常压沸点的温度下挥发 , 分离度比常规蒸 馏有显著的提高[ 7～ 9] , 当间甲基苯甲酸凝结在冷凝管 上 , 可以在进料完毕后 , 通过加热套来融化间甲基苯 甲酸 , 以实现采集回收 。 因原料中既有轻组分杂质 , 也有重组分杂质 , 因此试验工艺分为两步 :首先脱除 包括溶剂和间二甲苯在内的轻组分 ;随后以重馏分残 留物为原料 , 脱除间苯二甲酸等重组分 。 具体方法如 下 :将固态原料(含少量间二甲苯)从进料器经加热计 量后进入分子蒸馏装置内 , 在刮膜器的作用下 , 均匀 地分布于蒸发器表面 , 蒸发表面温度由导热油精确控 制 。在高真空条件下 , 轻组分以气体状态径直飞向中 间的冷凝器并凝结成固体 , 重馏分沿蒸发器筒体内壁 进入重组分收集器 。 为了防止挥发性组分进入真空 泵 , 须在蒸发器和真空泵之间设置冷阱 , 其中放置液 氮作为深冷剂 。 1 .2 装置与流程
3 .1 进料速率和进料温度对分离效率的影响 进料速率是影响短程蒸馏分离效果的一个重要
因素 。 进料速率的快慢主要影响物料在蒸发壁面上 的停留时间 。选取适宜的进料速率对提高产品的含 量和收率有重要影响 。 图 5 表明在进料温度 130 ℃, 蒸发温度 I 为 140 ℃, 操作压力80 kPa ;蒸发温度 II 为 130 ℃, 操作压力 200 Pa 和刮膜器转速160 r/min时 , 不 同进料速率对间甲基苯甲酸含量与收率的影响 。 从 图 5 可以看出 , 它的最佳进料速率为65 mL/h 。 当进 料速率小于65 mL/ h 时 , 产品含量和收率较小 , 这说 明进料速率太小 , 停留时间变长 , 一级分离时原料中 的部分甲基苯甲酸与杂质被蒸到中间冷凝器上 , 导致 产品含量与收率下降 :相反 , 当进料速率大于65 mL/ h 时 , 停留时间过短 , 轻组分杂质来不及被蒸发 、去除 , 同时在二级分离中部分间甲基苯甲酸与重组分杂质 一起切除 , 同样影响产品质量和收率 。
图 2 中有效填料段高度1 .5 m , 塔柱直径25 mm , 内装 3 mm ×3 mm 的高效不锈钢 9 环填料 。图 3 中操 作系统绝对压力可达0 .1 Pa , 蒸发温度 30 ～ 320 ℃。
2 间二甲苯的实验结果与讨论
2 .1 最小理论塔板数和最小回流比的确定 液态原料为多组元混和物 , 必须确定分离过程的
Key words m -Xylene m -Toluic IPA distillation molecular distillation
间甲基苯甲酸是以间二甲苯为原料 , 在环烷酸钴 催化剂的作用下 , 于 125 ～ 135 ℃, 0 .2 MPa经空气氧化
制得 。 但反应过程中 , 间二甲苯过量 , 所以 , 需要把间 二甲苯溶剂分离出来加以回收利用 , 同时获得高纯度
第 19 卷第 7 期 2005 年 7 月
Chemica化l I工nd时us刊try
Times
VJoull..179.,2N0o05.7
科 技 进 展
《Advances Science &Technology》
间二甲苯和间甲基苯甲酸分离 提纯工艺的研究
泵Baidu Nhomakorabea
图 3 VKL70 短程蒸馏装置简图 2 .2 塔顶和塔釜温度的变化以及对产品纯度的影响
图 4 表明塔顶 、塔釜温度的变化以及对产品纯度 的影响 。 在全回流阶段 , 塔顶温度 、塔底温度和产品 纯度都升高 ;90 ～ 120 min大回流比操作 , 杂质脱除阶 段 , 釜温 、顶温逐渐升高 , 随着轻组分的切除 , 产品纯 度达到 99 .0 %;120 ～ 170 min恒回 流比操作 , 收集产 品 , 塔顶与塔釜温度分别稳定在 138 ℃和 156 ℃左右 , 纯度达到 99 .4 %以上 :170 ～ 200 min , 塔釜温 度有所 升高 , 产品浓度下降 , 增大回流比 , 产品纯度 保持在 99 .3 %;200 min , 釜温上升 , 再次增大回流比 , 保证产 品纯 度 在 99 .0 %以 上 ;260 min 时 , 产 品 纯 度 低 于 99 .0 %, 停止采出 。 整个过程约需4 .3 h , 系统压力为 常压 。
Abstract The experimental study for purification of m -Xylene and m -Toluic by normal pressure distillation and short —path distillation , and make sure the appropriate operate tactic and the safe operate condition of normal pressure distillation :the operate pressure is normal and the temperature of the reboiler is under 160 ℃with variable reflux .The concentration and average yield of the product is up to 99 .0 % and 63 .0 % respectively ;The effects of operating parameters of short —path distillation such as feed flow rate , feed temperature and evaporation temperature on separation efficiency of m Toluic had been discussed .Suitable operating parameters obtained from the experiment were :feed temperature above 125 ℃, feed flow rate 65 mL/ h , distillation temperature(I)145 ℃, operating pressure 80 kPa distillation temperature(II) 130 ℃, operating pressure 200Pa , rotor rate 130 ～ 150 r/ min .Through the mentioned method , a high purity product of 99 .0 % m -Toluic could be obtained , with total recovery of more than 65 .0 %.
任艳奎 许松林 栾礼侠
(天津大学精馏技术国家工程研究中心 , 天津 300072)
摘要 采用常压精馏和短程分子蒸馏技术对间二甲苯和间甲基苯甲酸 等的混合 物进行分离 研究 , 确定了常 压精馏的 操作 策略和安全的操作条件 :操作压力为常压 , 釜温低于 160℃, 得到产品的浓度和收率分达到 99.0 %和 63 .0%以 上 ; 通过 考察短程分子蒸馏的进料速率 、进料温度 、蒸发温度和刮膜器转速 等因素对 间甲基苯甲 酸分离效 果的影响 , 得到 了以 下工艺参数 :进 料温度 125℃以上 , 进料速 率65 mL/ h , 蒸 发温度(Ⅰ)为 145℃, 操 作压力80 kPa , 蒸发 温度(Ⅱ)为 130 ℃, 操作压力200 Pa刮膜转子转速 150 ～ 180 r/ min , 产品纯度和收率分别达到99.0%和 65.0%以上 。 关键词 间二甲苯 间甲摹苯甲酸 间苯二甲酸 精馏 分子蒸馏
进料温度对短程蒸馏的影响 。图 6 为进料速率 60 mL/ h , 蒸发温度 I :140 ℃, 操作压力80 kPa , 蒸发温 度 II :130 ℃, 操作压力 200 Pa , 转速160 r/min 时不同 进料温度对间甲基苯甲酸提纯的影响 。 当进料温度 较低(<125 ℃, >115 ℃)时 , 原料的粘度较大 , 在蒸馏 器中用于预热原料的蒸发面积增加 , 用于分离的有效 蒸发面积将减少 。随着进料温度的升高 , 用来预热原 料的蒸发面积减少 , 有效蒸发面积将增大 , 轻组分杂 质切除比较充分 。但随着进料温度的进一步升高 , 特 别是进料温度大于 200 ℃以后 , 在脱轻阶段 , 重馏分 中的部分间甲基苯甲酸跟杂质一起被切除 , 导致产品 中间甲基苯甲酸的含量与收率的下降 。
最小理论塔板数和最小回流比 。 采用文献[ 5、6] 中间 歇精馏最小理论塔板数(NT)和最小回流比(R e)的简 捷计算方法 :使间二甲苯与轻 、重组分切割并保持纯 度在 99 .0 %时的 NT , 和 Re 分别为 22 和 6 。因 此 , 在 最小回流比大于 6 的前提下 , 实验装置所用高效填料 柱的高度可以满足分离的要求 。
Study of the Purification of m -Xylene and m -Toluic
Ren Yankui Xu Songlin Luan Lixia
(National Engineering Research Center for Distillation Technology , Tianjin University , Tianjin , 300072)
收稿日期 :2005 -03 -07
作者简介 :任艳奎(1981 ～ ), 男 , 硕士生 ;许松林(1966～ ), 男 , 博士 , 硕士生导师 , 主要研究方向 :天然产物提纯与分离理论及应用 研究 , Email :slxu @ tju .edu .cn
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化工时刊 2005 .Vol .19 , No .7 科技进展《Advances Science &Technology》
图 1 实验过程中回流比的变化 间甲基苯甲酸的熔点较高 , 用真空精馏提纯 , 很 难从塔顶冷凝器上形成回流 , 而无法实现分离 、采集 的目的 。短程蒸馏(分子蒸馏)是在高真空度条件下 进行的非平衡连续蒸馏过程 。 分离过程中 , 混和物可
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1— 冷凝器 ;2— 温 度 计 ;3— 回 流 比 调 节器 ;4— 产 品 收 集 器 ; 5— 精馏柱 ;6— 烧瓶 ;7 — 调压加热套 ;8— 水银压差计
的间甲基苯甲酸[ 1～ 4] 。 本文应用常压精馏技术和短程分子蒸馏技术分
别分离提纯间二甲苯和间甲基苯甲酸 , 研究了操作压 力 , 温度等因素对产品的纯度和收率的影响 。
1 实验研究
实验原料为间二甲苯(Mx)、水 、间甲基 苯甲酸 、 间苯二甲酸(IPA)的混和物其中 IPA 的含量较小 , 主 要含量为 Mx 和间甲基苯甲酸 。 1 .1 分离提纯方法的确定 1 .1 .1 物理性质的研究