萃取精馏技术的研究进展及其应用论文

分离工程大作业

萃取精馏技术的研究进展及其应用专业：化学工程与工艺

萃取精馏技术的研究进展及其应用

摘要:萃取精馏是近沸点混合物分离的主要方法, 本文对萃取精馏技术及其

在分离过程中的研究与应用进行了讨论。结合国内外萃取精馏技术中溶剂选取方法、萃取工艺及设备改进方面取得的研究进展,介绍了近年来萃取精馏技术的应用新情况。

萃取精馏作为一种分离络合物、近沸点混合物及其他低相对挥发度混合物技术，在石油化学工业中的1,3-丁二烯的分离、芳烃抽提、乙醇/水分离、环己烷提纯等过程得到广泛的应用。它是通过向精馏塔中加入1种或2种可以与分离混合物相溶的溶剂，提高了待分离组分的相对挥发度，从而达到分离沸点相近组分的目的[1]。

萃取精馏中溶剂的选择占有十分重要的地位，早期的溶剂选取方法决定了其选择的范围较窄，从而使萃取精馏技术的应用受到限制。萃取精馏采用的溶剂具有沸点高、相对不易挥发,并与其他组分不易形成络合物的特点。随着萃取溶剂探索方法的发展、萃取精馏系统的进一步优化及高效设备的采用，提高了萃取精馏系统的适用性、可控制性和操作性，使其与其他精密分离技术和液液萃取技术相比，显示出了越来越明显的优越性。

1萃取精馏的原理

在基本有机化工生产中，经常会遇到组分的相对挥发度接近于1，甚至组分之间能形成共沸物。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(称为溶剂)，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[2]。

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(也称共沸剂，挟带剂)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。其沸又较任一组分的沸点高，溶剂(也称萃取剂)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。萃取精馏过程中，由于溶剂的沸点大大高于进料组分的沸点，且溶剂又不与组分形成共沸物，所以，只要利用普通精馏即可回收溶剂，过程较简单；同时，由于溶剂的引入。增加了各组分问的相对挥发度，萃取精馏过程所需的塔板数急剧减少，从而降低了能耗。

溶剂的好坏是萃取精馏成败的关键，工业生产过程的经济效果如何，与溶剂的选择密切相关。为了适用于工业化生产，溶剂的选择要考虑其选择性、沸点、溶解度、热稳定性和化学稳定性及适宜的物性[3]。此外，无毒、无腐蚀、来源丰富也是选择溶剂要考虑的因素。

影响溶剂选取的因素很多，在其筛选过程中需要对各个因素进行综合考虑,需要大量的试验工作为基础。通过多年来人们在物理化学领域的深入研究，对现有化合物及官能团性能的认识已经取得了很大的进展。目前，不仅从理论上可以较准确地预测现有各种化合物的物理化学性质，同时也具备了根据目标性质设计某种功能化合物的手段。所有这些成果都大大拓宽了溶剂选取的范围，相对提高了选取过程的准确性、可靠性, 降低了筛选试验工作量。

2.1溶剂筛选原理

溶剂筛选的主要指标是寻求溶剂对分离物系的最大选择度，它表示溶剂使被分离组分相对挥发度改变的程度。把加入溶剂后和未加入溶剂时组分A(1)对组分B(2)的相对挥发度分别表示为a12和b12，二者的比值称为选择度S，比值越大，说明选择性越好，溶剂的效果就越好。

2.2溶剂的物理特性

萃取精馏过程的实现，经济效果如何，与选择的溶剂密切相关。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：溶剂的加入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；

(4)其它：溶剂的粘度、密度、表面张力、比热和蒸发潜热等的大小都直接影响到塔板效率和热量消耗，对过程的经济指标产生影响。

此外，溶剂使用安全、无毒性、无腐蚀性、热稳定性好、价格便宜及来源丰富等也都是选择溶剂时要考虑的因素。

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。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]。

3萃取工艺及设备的改进

一般的萃取精馏过程采用2(或3)塔工艺流程,设备主要由萃取塔和溶剂回收塔组成。目前,萃取精馏技术的研究重点是进一步提高萃取剂的选择性、改进工艺过程,减少单元操作和建设成本。雷志刚[5]等针对C4气体萃取精馏丁烯/丁二烯工艺流程中第一精馏塔底出料存在一定热聚合损失、第二精馏塔液相负荷大、板效率低的问题，通过采用第一精馏塔下段汽相采出方式，解决了存在的诸多问题，改进、优化了工艺流程。Gerald Meyer 等在C4气体分离过程开发中，为了进一步提高分离效率，在采用新分离工艺(萃取精馏—选择加氢—丁二烯纯)的过程,将萃取精馏和加氢过程耦合在同一塔中。这样既提高了操作安全性，也提高1 ,3-丁二烯的收率，降低了建设成本。除了加氢反应精馏的耦合外，尝试络合萃取、恒沸精馏萃取的开发工作一直在进行，通过开发复合功能萃取塔，使得在原有低能耗基础上，进一步拓宽了萃取精馏的使用范围，提高了目的产品的收率和质量。

萃取精馏塔采用是板式塔型式，由于浮阀塔板具有高效率、高弹性和高生产能力等优点，所以目前在国内外是采用最为广泛的塔板之一。随着塔器技术的不断进步，原塔板上存在的液流方向气体分布不均匀、液体返混大、浮阀易磨损、脱落等缺点日益突出，导致塔板效率低，塔设备能力受到限制，增加了实际塔板数，同时也造成分离系统能量、溶剂消耗高[6]。近年来，塔板技术有了明显的进步，国内外相继推出了一系列结构新颖、性能优良的新板型。多溢流斜孔塔板、立体传质塔板在国内萃取精馏塔中的应用，提高了原萃取精馏塔的生产能力，同时，回流比明显降低，分离的质量得到提高。虽然，萃取溶剂对萃取精馏过程产生重大的影响，但是通过工艺及设备方面的改进，仍然可以在一定程度上提高该工艺的整体技术水平，降低建设成本，提高其应用范围。