《化工前沿》论文

化工前沿讲座期末论文

萃取精馏技术应用前沿综述Extraction distillation technology

application in front

学院：化学工程学院

专业班级：化学工程与工艺化工082 学生姓名：王海宁学号： 050811237 指导教师：张所信（教授）

2011年10月

论文中文摘要

期末论文外文摘要

1、萃取精馏原理

在基本有机化工生产中，经常会遇到组分的相对挥发度比较接近，组分之间也存在形成共沸物的可能性。若采用普通精馏的方法进行分离，将很困难，或者不可能。对于这类物系，可以采用特殊精馏方法，向被分离物系中加入第三种组分，改变被分离组分的活度系数，增加组分之间的相对挥发度，达到分离的目的。如果加入的溶剂与原系统中的一些轻组分形成最低共沸物，溶剂与轻组分将以共沸物形式从塔顶蒸出，塔底得到重组分，这种操作称为共沸精馏；如果加入的溶剂不与原系统中的任一组分形成共沸物，其沸点又较任一组分的沸点高，溶剂与重组分将随釜液离开精馏塔，塔顶得到轻组分，这种操作称为萃取精馏[1]。本文着重介绍萃取精馏及其在分离过程中的应用。

2、萃取精馏的分类

萃取精馏按照其操作方式可以分为两类，即连续萃取精馏和间歇萃取精馏。

2.1 连续萃取精馏

连续萃取精溜过程中，进料、溶剂的加入及回收都是连续的。连续萃取精馏一般采用双塔操作，第一个塔是萃取精馏塔，被分离的物料由塔的中部连续进入塔内，而溶剂则在靠近塔顶的部位连续加人。在萃取精馏塔内易挥发组分由塔顶馏出，而难挥发组分和溶剂由塔底馏出并进入溶剂回收塔。在溶剂回收塔内，可使难挥发组分与溶剂得到分离，难挥发组分由塔顶馏出，而溶剂由塔底馏出并循环回送至萃取精馏塔。

2.2 间歇萃取精馏

间歇萃取精馏[2]是近年来兴起的新的研究方向，由于间歇萃取精馏具有间歇精馏和萃取精馏的优点，近年来引起了一些学者的注意。间歇萃取精馏比连续萃取精馏复杂得多，其流程及操作方法与连续萃取精馏不同。间歇萃取精馏的操作步骤如下：不加溶剂进行全回流操作；加溶剂进行全回流操作；加溶剂进行有限回流比操作；有限回流操作，停止向萃取精馏塔加溶剂。恒塔顶组成操作包括3种方法：(1)溶剂的进料速率保持不变，改变回流比；(2)保持回流比恒定，改变溶剂的进料速率，此方法在理论上是可行的，但在实践中却难以实现；(3)同时改变回流比和溶剂进料速率。

3、萃取精馏溶剂筛选

3.1、溶剂筛选原理及物理特性

溶剂的选择是综合考虑各种因素的结果，首要的当然是溶剂的选择性，使组分1和2间的相对挥发度按希望的方向改变，并尽可能大；其次必须考虑溶剂易

于再生，即与原料液中的组分具有一定的沸点差，不形成恒沸物，不会发生化学反应，同时在塔中不会发生分解或聚合等；此外，溶剂的价格、来源、粘度、毒性、腐蚀性以及原料液中各组分在其中的溶解度等均需全面考虑。其中，尤厄尔（Ewell）等的液体分类法、从同系物选择等一些定性考虑法则，对初步筛选溶剂具有一定的指导作用[3]。

3.2、溶剂筛选方法

目前萃取精馏溶剂筛选的方法有实验法、数据库查询法、经验值方法、计算机辅助分子设计法(CAMD) 等[4]。用实验法筛选溶剂是目前应用最广的方法,可以取得很好的结果,但是实验耗费较大,实验周期较长。实验法有直接法、沸点仪法、色谱法、气提法等。实际应用过程中往往需要几种方法结合使用,以缩短接近目标溶剂的时间。溶剂筛选的一般过程为:经验分析、理论指导与计算机辅助设计、实验验证等。若文献资料和数据不全,则只有采取最基本的实验方法,或者采取颇具应用前景的计算机优化方法以寻求最佳溶剂。

4、萃取精馏的应用及分离前沿实例

萃取精馏的研究与应用主要集中在以下几类物质的分离与提纯: (1) 芳烃及其衍生物[5];(2)烷烃和烯烃[6];(3)醇和酯;(4)有机酸;(5)有机化合物和水;(6)无机酸和水。

4.1、萃取精馏分离乙酸乙酯和乙醇

乙酸乙酯( EA )纯物质为有芳香气味的无色透明液体, 具有优异的溶解性和快干性, 是一种应用广泛的有机化工原料, 主要作为溶剂用于人造革、涂料、油漆和合成橡胶等产品中; 也作为调香剂组分成为水果香精和奶油等香料的主要原料;目前我国EA 生产均采用传统的乙酸乙醇酯化法, 但企业规模偏小, 原料单耗高, 且存在硫酸的强腐蚀、副反应多、副产物处理困难等缺点。对于EA 和乙醇的萃取精馏分离技术, 目前主要采用的萃取分离方法有液液萃取、加盐萃取、复合萃取精馏(不同萃取剂在不同位置进料)及超临界萃取技术等。

沈阳化工大学的张志刚等[7]通过减压间歇萃取精馏实验装置, 选用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为萃取剂, 对乙酸乙酯和乙醇二元共沸物系的分离进行了实验研究。研究了操作参数中操作压强、回流比(体积比)、溶剂比(体积比)对分离过程的影响。实验结果表明: 减小压强、提高回流比和溶剂比都能不同程度地增强分离效果, 实验得出减压操作情况下的间歇萃取精馏的较佳分离条件: 操作压力为10 kPa, 回流比为3, 溶剂比为1, 产品中乙酸乙酯的质量分数为97%以上。通过分析超重力精馏过程和流体在超重力装置内的流动状态, 提出了超重力精馏过程的传质机理;提出了超重力精馏过程的传质单元是液膜; 超重力精馏过程强化的主要原因是超重力精馏过程克服了双膜理论、渗透理论与表面更新理

论中的瓶颈, 传质过程得到强化。

4.2、萃取精馏分离苯-环己烷

苯和环己烷是重要的基本有机化工原料, 且作为重要溶剂被广泛应用。但它们沸点接近( 相差仅0.61℃),相对挥发度小,它们的混合物用一般精馏方法难以分离。工业中常用恒沸精馏等方式进行分离。但萃取剂的加入, 使体系变量增多, 物系间的平衡关系更加复杂化, 且多数体系严重偏离理想物系, 理论计算和实验研究较为困难。化工过程模拟以工艺过程的机理模型为基础,应用计算机辅助计算手段, 对化工过程进行热量、物料衡算、能量分析、装置尺寸和费用计算, 比实验研究更为方便且结果可靠。

师源等[8]使用化工过程模拟系统PRO/ Ⅱ对苯- 环己烷萃取精馏分离过程进行模拟和优化研究。采用双塔联用工艺,对萃取剂（以糠醛为萃取剂）种类、萃取剂用量、温度、加入位置, 原料液进料温度、进料位置, 两塔的总理论板数分别进行了优化。模拟所得萃取塔(塔1) 操作参数为: 塔顶压力101.33kPa、理论塔板数35 块、进料板为第25 块塔板(从塔顶计数,下同)、糠醛进料板为第7 块塔板; 精馏塔(塔2) 操作参数为: 塔顶压力101.33kPa、理论塔板数10 块、进料板为第6块塔板。环己烷产品纯度(摩尔分率) 可达0.9953、苯产品纯度(摩尔分率) 可达0.9890、循环萃取剂中糠醛的摩尔分率为0.9985, 可在较少补充糠醛的情况下, 达到理想分离的效果。

4.3、萃取精馏分离碳酸二甲酯与甲醇

碳酸二甲酯(DMC) 是一种无色、带有芳香气味的可燃性液体,沸点为90.1 ℃,熔点为4 ℃,密度为1.071 8 g/ mL , 闪点为18 ℃, 相对分子质量为90.07 ,折光率为1.366 ,微溶于水,可与醇、醚、酮等几乎所有的有机溶剂混溶, 对金属无腐蚀性。甲醇(ME) 与尿素催化合成碳酸二甲酯的工艺路线具有原料价廉、易得的优点,特别是反应中无水生成, 是目前很有发展前途的一种合成方法。但是,该过程由于使用了过量的甲醇,在合成中形成了碳酸二甲酯和甲醇的共沸物(其质量比是30∶70) ,共沸温度为63.15 ℃,分离困难。萃取精馏法无论是在经济效益,还是在操作、安全方面都优于其他方法。萃取剂的选择对萃取精馏的实现有重要影响,报道较多的萃取剂有氯苯、邻二甲苯、水、糠醛、草酸二甲酯等。

南京工业大学李杨等[9] 采用过程模拟与实验结合的方法，选用碳酸乙烯酯作萃取剂，采取间歇萃取精馏的方法研究回流比、萃取剂进料温度等对分离甲醇-碳酸二甲酯恒沸物的影响。萃取精馏段回流比为0.8～1.2；最佳溶剂进料温度为64.5℃，溶剂进料量与共沸物的最佳摩尔比在1.85～1.95。西安交通大学翟小伟等[10] 在对三塔萃取精馏分析的基础上，提出了以邻二甲苯为萃取剂，两塔分离甲醇和碳酸二甲酯共沸物的萃取精馏新流程。考察了进料配比、回流比