萃取精馏的分析与探究论文

萃取精馏的分析与探究
萃取精馏的分析与探究
摘要：萃取精馏在近沸点物系和共沸物的分离方面是很有潜力的操作过程。

萃取精馏是一种特殊的精馏方法。

以改变塔内需要分离组分的相对挥发度。

选择合适的溶剂可以增强分离组分之间的相对挥发度, 从而可以使难分离物系转化为容易分离的物系. 关键词：萃取分离溶剂
一、萃取精馏的简介
萃取精馏：向精馏塔顶连续加入高沸点添加剂，改变料液中被分离组分间的相对挥发度，使普通精馏难以分离的液体混合物变得易于分离的一种特殊精馏方法。

二、萃取精馏的原理：
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。

三、萃取精馏的流程：
由于溶剂的沸点高于原溶液各组分的沸点，所以它总是从塔釜排出的。

为了在塔的绝大部分塔板上均能维持较高的溶剂浓度，溶剂加入口一定要在原料进入口以上。

但一般情况下，它又不能从塔顶引入，因为溶剂入口以上必须还有若干块塔板，组成溶剂回收段，以便使馏出物从塔顶引出以前能将其中的溶剂浓度降到可忽略的程度。

溶剂与重组分一起自萃取精馏塔底部引出
后，送入溶剂回收装置。

一般用蒸馏塔将重组分自溶剂中蒸出，并送回萃取精馏塔循环使用。

一般，整个流程中溶剂的损失是不大的，只需添加少量新鲜溶剂补偿即可。

四、萃取精馏流程安排
萃取精馏过程一般采用双塔流程, 由萃取精馏塔和溶剂回收塔组成。

萃取精馏的流程设计非常重要。

一个好的萃取精馏工艺流程, 不仅能耗可以降低, 而且能够充分地发挥设备的潜力, 提高生产能力。

在有些情况下, 萃取精馏过程的双塔流程模式并不是一成不变的。

如溶剂沸点太高时, 可以对溶剂回收塔进行改进, 如加入一定量水以降低沸点, 在下一个塔中再回收溶剂, 这时就是双塔流程, 就需要再增加塔设备。

近年来在开发新的分离技术过程中, 各种分离方法之间的结合日益受到重视, 对萃取精馏亦如此。

例如分离醇水溶液如果采用萃取精馏与恒沸精馏结合, 就可以较好地发挥出萃取精馏能耗低、产品纯度高的优点。

首先利用萃取精馏得到纯度较高的醇溶液, 然后经过恒沸精馏制得高纯度的醇产品, 这种方法比单独的萃取精馏或恒沸精馏流程从能耗和操作控制难易综合方面都要好。

五、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。

（一）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。

（二）间歇萃取精馏
间歇萃取精馏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。

六、溶剂筛选原理
由于萃取精馏混合物多为强非理想性的系统，所以工业生产中选择适宜溶剂时主要应考虑以下几点：(1)选择性：溶剂的加人要使待分离组分的相对挥发度提高显著，即要求溶剂具有较高的选择性，以提高溶剂的利用率；(2)溶解性：要求溶剂与原有组分间有较大的相互溶解度，以防止液体在塔内产生分层现象，但具有高选择性的溶剂往往伴有不互溶性或较低的溶解性，因此需要通过权衡选取合适的溶剂，使其既具有较好的选择性，又具有较高的溶解性；(3)沸点：溶剂的沸点应高于原进料混合物的沸点，以防止形成溶剂与组分的共沸物。

但也不能过高，以避免造成溶剂回收塔釜温过高。

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。

七、萃取剂筛选的方法
实验法、数据库查询法、经验值方法、计算机辅助分子设计
法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。

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。

八、分离剂或溶剂的选择
一般来说, 萃取精馏流程和塔板结构的改进是有限的。

因此选择好的萃取剂或对萃取剂进行改进和优化是提高萃取精馏塔生产能力和降低能耗的最有效途径。

以加盐萃取精馏制取无水乙醇为例。

对萃精馏和溶盐萃取精馏进行了分析和综合, 利用溶盐萃取剂效果好的优点和利用溶剂是液体, 可循环回收, 工业上易于实现的优点, 形成了一种新的萃取精馏方法即加盐萃取精馏。

采用乙二醇加盐萃取精馏所生产的无水乙醇试剂, 达到国内优级品标准。

它与国外乙二醇萃取精馏的方法比较, 加盐后溶剂比降低4 ～5 倍, 塔高降低3 ～ 4 倍, 因而节约了操作费用, 减少了设备投资, 效果十分明显。

萃取精馏是能量分离剂与质量分离剂并重的分离过程。

目前在很多分离领域涉及质量分离剂的研究, 研究质量分离剂即溶剂是一个有意义的课题。

溶剂的研究
分为两类, 一类是在工艺流程一定的情况下, 选择分离能力强的基础溶剂;另一类是在基础溶剂一定的情况下加入一定的添加物即助溶剂,对之进行改进或优化。

由于第二类的研究不改变基础溶剂, 因此具有较强的实用性。

寻找最佳的溶剂是一个复杂的课题。

九、萃取精馏塔的塔板结构
一般萃取精馏最大的缺点是溶剂量太大, 溶剂比均在5 ～9 以上。

国内分离C4 的两套装置ACN 法和DMF 法的溶剂量都很大, 一萃塔溶剂比在7 ～8 ,不仅能量、溶剂消耗高, 且萃取精馏塔内液体负荷很高, 降低了塔的生产能力和塔板效率, 使实际塔板数增加, 抵消了由于加入溶剂后提高相对挥发度使所需塔板数减少的效果。

而且, 由于板上液体负荷大, 容易液泛, 降低了塔操作的允许汽液负荷。

因此, 萃取精馏塔的生产能力一般较低。

在萃取精馏工艺路线以及溶剂不便改动的情况下, 采用高效新型的塔板内构件, 是提高萃取精馏塔生产能力的有效策略。

如近年来开发出来的多溢流复合斜孔塔板就可以代替原有的浮阀塔板以提高生产能力。

多溢流斜孔塔板是在斜孔塔板的基础上, 对MD 塔板进行了研究和分析后, 开发出的一种具有MD 塔板多溢流结构的优点, 又有斜孔塔板优点的复合型塔板。

它采用类似MD 塔板的降液管形式,但降液管只用一根或者两根而不是很多根, 结构比较简单, 液体流动距离较长, 塔的处理能力与
板效率都比较高。

由于计算机技术和塔板设计技术的不断发展, 塔板的结构参数还可以根据塔内的汽液负荷利用塔板设计软件进行设计。

设备设计与工艺过程的结合, 是化学工程的一个发展方向。

发明和采用高效新型的塔板结构可以在一定程度上削弱萃取精馏所带来的缺点, 扩大其应用范围。

十、加盐萃取精馏技术的主要应用
(一)醇类物系
加盐萃取精馏最早被应用在无水乙醇的生产中。

段占庭等"以无水乙醇为制取对象，分别采用含氯化钠、氯化钙、醋酸钾等9种盐的乙二醇溶液为溶剂，测定了相关的汽液平衡数据，经过比较，优选出了醋酸钾一乙二醇复合溶剂，用于工业制备乙醇。

实践表明，乙二醇的用量减少了75％～80％，相同产量的操作时间比普通精馏缩短了65％～75％。

赵林秀等用改进的汽液平衡釜测定了101．3kPa下醋酸甲酯一甲醇物系在萃取剂和盐存在下的相对挥发度，测定了全浓度范围内的汽液平衡数据，并进行了加盐萃取精馏工艺的实验。

结果表明，水作为萃取剂，加入醋酸钾，可提高醋酸甲酯一甲醇物系的相对挥发度，加盐萃取精馏比普通精馏有优势，当溶剂体积比为1:1时，萃取精馏塔塔顶采出的醋酸甲酯的质量分数可达到99％以上，萃取剂回收率达98％，盐可全部回收。

异丙醇和水形成共沸物系，共沸点为80.3℃。

为获得高纯度的异丙醇，柳阳等采用间歇加盐的萃取方
式，以含盐乙二醇溶剂为萃取剂，考察了盐的类型、回流比、溶剂比等因素对异丙醇一水混合液精馏分离效果的影响，小型工艺试验装置的操作结果表明，在回流比0.5、溶剂比0.625、萃取剂进料速率20mL/min的条件下，异丙醇质量分数可达98.87％，能够满足工厂生产的要求。

(二)非极性物系
加盐萃取精馏不仅可以分离极性组分，也可以应用在非极性组分的分离过程中。

而对于分离非极性物系，加盐萃取精馏研究的报道较少。

碳四组分中丁二烯是合成橡胶的重要单体，工业上生产丁二烯最具竞争力的方法是萃取精馏法。

萃取精馏的缺点是溶剂比大，大溶剂量降低了塔的生产能力和塔板效率，所以降低溶剂比、提高溶剂分离能力，对分离过程的技术指标有重要的影响。

目前常用的溶剂是：乙腈、Ⅳ一甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺。

在此基础上，碳四抽提溶剂改性不仅对丁二烯的生产具有积极意义，而且对于烃类物系的萃取精馏分离具有参考和推广价值。

雷志刚等副开展了一系列碳四组分的加盐萃取精馏实验，考察了盐的类型、浓度及温度对碳四组分间相对挥发度的影响。

(三)其他物系
针对工业上传统蒸馏法分离环己酮一水物系能耗过大的问题，邱学青等研究了含盐类的复合萃取剂对该物系的萃取分离效果，其结果表明MgC1能明显改变环己酮与水之间的互溶度，大幅度提高复合萃取剂对组分的萃取分配系数和选择性系数，为工
业上环己酮的生产提纯提供了一种新的分离方法；刘思周以醋酸异丙酯为萃取剂，用加盐萃取一恒沸精馏的方法分离醋酸一水溶液。

考察了不同种类的盐及其浓度对萃取剂中醋酸含量的影响，盐可以大大提高萃取剂的分配系数和选择性系数；杨金苗等分别用不同浓度的乙二醇、盐及含盐乙二醇溶液考察了对醋酸甲酯一水物系的影响，并进行汽液平衡测定。

其研究结果表明，加盐萃取精馏比单纯的普通精馏、加盐精馏、萃取精馏的分离效果好。

对于醋酸甲酯一水物系，通过汽液平衡实验可看出，加入盐明显提高了共沸物中醋酸甲酯的含量，可达到较好的分离效果；针对醋酸甲酯一甲醇一水物系分离难、生产能耗高的现状，杨东杰等采用MgCl2、CH3COOK和水组成的复合盐萃取剂对该物系进行分离。

气相色谱分析结果表明，盐可降低醋酸甲酯在水中的溶解度。

十一、结语与心得
一般来说萃取精馏流程和塔板结构的改进是有限的。

因此, 从本质上讲选择好的萃取剂或对萃取剂进行改进和优化是提高萃取精馏塔生产能力和降低能耗的最有效途径。

萃取精馏溶剂的筛选一般要经过计算筛选和实验筛选。

随着计算机技术的发展, 将分子设计应用于萃取精馏计算筛选可以大大减少实验工作量, 因此值得重视和发展。

溶剂加盐是萃取精馏溶剂优化的一个重要策略。

如果遇到萃取精馏分离过程, 可以尝试采用加盐的方式对
溶剂进行改进。

在萃取精馏溶剂选择和优化过程中, 由于基础溶剂和助溶剂受到诸多方面制约, 使可选择范围缩小, 这对选择和发现新的溶剂极为不利。

有些情况下, 可以放宽限制条件。

如近年来双液相萃取精馏的研究取得了较大地进展, 在萃取精馏塔中允许出现双液相, 溶剂和被分离组分不一定必须混溶, 降低了溶剂对被分离组分溶解度的要求;如果溶剂的沸点太高, 溶剂回收塔可以采用减压操作等。

同普通精馏一样, 萃取精馏易于工业实践。

在普通精馏不能完成的分离场合, 应该优先考虑萃取精馏, 然后是其他的特殊精馏方式和分离方法。

因此研究萃取精馏具有较强的实用性, 其研究成果容易转化为生产力, 这是某些新兴的分离方法所不具有的优点。

在普通精馏不能完成的分离场合，应该优先考虑萃取精馏，然后是其他的特殊精馏方式和分离方法。

其主要的发展方向为：一方面，可以将其与传统分离过程相结合，建立新的耦合过程强化分离效果；另一方面，多样化的萃取剂与盐的组合吸引了众多研究者在此领域进行探索，并取得了一定的进展。

萃取精馏近些年的进展主要是间歇萃取精馏的提出和混合溶剂的研究。

间歇精馏是精细化工生产中的重要单元操作，其主要特点有：(1)能单塔分离多组分混合物；(2)允许进料组分浓度在很大的范围内变化；(3)可适用于不同分离要求的物料，如相对挥发度及产品纯度要求不同的物料。

此外间歇精馏还比较适用于高沸点、高凝固点和热敏性等物料的分离。

随着精细化工等工业的发展，对间歇精馏技术的要求越来越高，间歇精馏技术也
日益受到前所未有的重视。

近年来，一些高效、节能的新间歇精馏操作方法被提出，并在工程上得到了一定的应用。

萃取精馏的关键是选择合适的萃取剂, 关于萃取剂的选择当今研究得还不甚深入, 仍需做进一步的工作。

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