間歇恒沸精餾法分離異丙醇水溶液的過程研究

1、摘 要: 采用單塔間歇恒沸精餾法 ,選擇環(huán)己烷作為恒沸劑 ,分離異丙醇和水。應(yīng)用 ChemCAD5.2 化工模擬軟件中的 CC-BATCH間歇精餾模塊對(duì)間歇恒沸精餾工藝過程進(jìn)行了模擬計(jì)算 ,并應(yīng)用最優(yōu)模擬條件來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn) ,得到了環(huán)己烷-異丙醇-水三元體系的最優(yōu)操作條件:進(jìn)料質(zhì)量比 m (環(huán)己烷) / m (異丙醇) / m (水) = 0.428/ 0.5/ 0.07 ,回流比 19 ,汽化量 0.3kg/ h ,塔板數(shù) 7。采用環(huán)己烷-異丙醇-水三元非均相恒沸精餾脫水法將異丙醇與水分離 ,從含水 12.6 %左右的異丙醇溶液可制得含水小于 0.3 %的異丙醇產(chǎn)品 ,異丙醇單程質(zhì)量收率可達(dá) 6

2、1.1 %。0 前 言異丙醇作為一種優(yōu)良的溶劑 ,在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上都有廣泛的用途。因此,經(jīng)常需要從異丙醇水溶液中回收異丙醇。例如,奈普生原藥生產(chǎn)過程中就有一定數(shù)量的含水為 12.6 %的異丙醇水溶液需要脫水,要求異丙醇中水含量小于0.5 %。HPLC(高效液相色譜) 流動(dòng)相中也要大量使用異丙醇(IPA) ,其在使用后轉(zhuǎn)化成 HPLC 流動(dòng)相廢液。對(duì)其進(jìn)行回收利用 ,既可以作為生產(chǎn)其它高附加值化工產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料 ,又可以消除對(duì)環(huán)境的污染。本文對(duì)正己烷-異丙醇-水及少量磷酸的溶液進(jìn)行分離。該溶液經(jīng)過預(yù)處理再行精餾 ,分離效果較好。預(yù)處理過程主要包括以中和、除雜為輔的化學(xué)過程和萃取為主的物理過程。首

3、先少量磷酸通過加堿中和 ,然后用水萃取 ,體系分為油相(主要含正己烷)和水相(主要含異丙醇和水)兩相 ,對(duì)兩相分別進(jìn)行分離提純。油相通過精餾 ,就能得到滿足純度要求的目標(biāo)產(chǎn)物之一的正己烷。水相經(jīng)過簡(jiǎn)單精餾可得異丙醇和水的共沸物。由于異丙醇和水形成共沸物(見表 1) ,因此不能用一般的蒸餾法制得無水異丙醇。目前 ,制無水異丙醇最具工業(yè)意義的是三元非均相恒沸精餾脫水法。近年來,利用模擬計(jì)算來開發(fā)新工藝的報(bào)道越來越多。本文利用大型化工系統(tǒng)模擬軟件Chem-CAD5.2 對(duì)三元恒沸精餾工藝過程進(jìn)行了模擬計(jì)算 ,找出了最優(yōu)條件 ,并用來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明把過程模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合 ,將大大縮短工藝開發(fā)過程

4、,且可在較短時(shí)間內(nèi)找出最優(yōu)。操作條件 ,這對(duì)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)均有積極的參考意義。1 恒沸劑的選擇恒沸精餾過程中,恒沸劑的選擇是否適宜 ,對(duì)整個(gè)過程的分離效果、經(jīng)濟(jì)效益都有直接的關(guān)系。能與異丙醇和水形成三元非均相恒沸物的恒沸劑有苯、環(huán)已烷和異丙醚(見表 2)。由表l 和表 2 可知 ,三元恒沸物的沸點(diǎn)都較異丙醇-水二元恒沸點(diǎn)低 10 以上 ,有利于分離 ,其中以環(huán)已烷和苯作為恒沸劑較好。但由于苯的毒性較大 ,故本文以環(huán)已烷作為恒沸劑。在異丙醇-水二元恒沸物中 m (水) / m (異丙醇) = 1 2 .6 / 8 7 .4 =0.144 ,加入恒沸劑環(huán)已烷后進(jìn)行三元恒沸時(shí) ,塔頂組份中 m (水)

5、/ m (異丙醇) = 7.5/ 18.5 = 0.405 ,即每份異丙醇在三元恒沸時(shí)所帶出的水分比不加恒沸劑要高 0.405/ 0.144 = 2.81 倍 ,因此 ,在異丙醇-水二元恒沸液中 ,加入環(huán)已烷后水分將全部從塔頂蒸出。若物料中水分 12.6 %時(shí) ,可先進(jìn)行不加恒沸劑的自夾帶非均相二元恒沸精餾 ,塔頂?shù)玫降暮?2.6 %的二元恒沸物 ,再經(jīng)三元恒沸精餾 ,即可得合格產(chǎn)品。筆者認(rèn)為對(duì)于處理量不大的場(chǎng)合 ,宜采用單塔間歇恒沸精餾操作。2 實(shí)驗(yàn)操作條件的確定2.1 模擬流程操作條件的優(yōu)化計(jì)算2.1.1 操作階段的確定根據(jù)工藝要求將整個(gè)分離過程切分成三個(gè)階段:三元物系同時(shí)餾出階段;異丙

6、醇-環(huán)己烷餾出階段;產(chǎn)品出料階段(收集純度 99 %的異丙醇) 。2.1.2 恒沸劑用量的確定對(duì)于本文所采用的單塔間歇恒沸精餾塔 ,恒沸劑用量的計(jì)算較復(fù)雜 ,不僅因?yàn)槭情g歇精餾 ,而且餾出物依次為異丙醇-水-環(huán)己烷三元非均相恒沸物,異丙醇-環(huán)己烷二元恒沸物等。為此,我們通過模擬對(duì)恒沸劑的用量進(jìn)行確定。在確定并優(yōu)化精餾塔操作參數(shù)之前 ,首先要確定進(jìn)料中環(huán)己烷與異丙醇-水共沸物的比值 ,使得有足夠量的環(huán)己烷能挾帶走幾乎全部的水分。先加入過量的環(huán)己烷確保產(chǎn)品純度 ,然后遞減模擬 ,直到找出最小環(huán)己烷需要量 ,因?yàn)榄h(huán)己烷帶走水的同時(shí)也要帶走部分異丙醇 ,加入量過多 ,則會(huì)影響產(chǎn)品的收率。由圖 1 和圖

7、 2 可得出環(huán)己烷質(zhì)量分率為 0.428 時(shí)能兼顧純度和收率 ,故確定之。2.1.3 理論板數(shù)的確定用 ChemCAD系統(tǒng)軟件模擬異丙醇-環(huán)己烷-水三元共沸物 ,確定其最佳質(zhì)量比為 m (環(huán)己烷) / m(異丙醇) / m (水) = 0.428 0.5 0.072 ,進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn) ,固定參數(shù)回流比 R = 19 ,汽化量為 0.3kg/ h。模擬過程中 ,在理論板小于 4 時(shí) ,不收斂;在 47 收斂;在大于 7 以后模擬體系又不收斂 ,顯示空塔板。根據(jù)工藝要求將整個(gè)分離過程分割成三個(gè)階段 ,模擬起來比較特殊 ,所以軟件能得到滿意收斂的板數(shù)比較局限 ,即 4、 5、 6、 7 ,而且實(shí)際上分

8、離任務(wù)本來也不需要太多板數(shù)。由過程模擬可得 ,塔板數(shù)為 N =6或 7 ,就可達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的效果 ,故確定較佳的理論板數(shù)為 7。2.1.4 汽化量的確定用 ChemCAD系統(tǒng)軟件模擬異丙醇-環(huán)己烷-水三元共沸物 ,由 2.1.2 中確定的最佳比 m (環(huán)己烷) / m (異丙醇) / m (水) = 0.428 0.5 0.072 ,進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn) ,固定參數(shù)回流比 R = 19 ,塔板數(shù) N =6。將0.3kg/ h確定為初始汽化量 ,然后固定其他操作條件 ,將汽化量減小或增大 ,尋找異丙醇質(zhì)量分率99 %的收率的最大值 ,結(jié)果如圖 3 所示。當(dāng)汽化量即質(zhì)量流率為0.290.35kg/ h時(shí)收

9、斂 ,且汽化量在0.3kg/ h 時(shí)異丙醇單程收率取得最大值 0.78。又從圖 3 中可見 ,在模擬的范圍內(nèi) ,汽化量對(duì)收率的影響不是很大。2.1.5 回流比 R 的確定由圖 4 可見 ,回流比的增大能有效地提高分離效率 ,但是 R 過大 ,能耗和操作時(shí)間均相應(yīng)增大。同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性及可操作性 ,確定 R = 19為較好的回流比。2.2 實(shí)驗(yàn)部分2.2.1 精餾裝置本實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)裝置塔體為內(nèi)徑20mm玻璃柱 ,內(nèi)裝2.5 2.5 不銹鋼網(wǎng)環(huán)填料 ,填料層高度為0.4m ,塔釜采用1000ml 的三口圓底燒瓶 ,塔頂采用全冷凝器;采用電加熱套加熱 ,并通過控制與電熱套串聯(lián)的調(diào)壓器來控制汽化速度

10、。2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 將環(huán)己烷按一定比例加入異丙醇和水中 ,總量約 400g ,從塔頂?shù)谷胨小?2) 通過加熱控制汽化速率 ,以恒定的汽化速率 ,保持全回流穩(wěn)定約 58 h。(3) 待體系穩(wěn)定以后 ,以恒定回流比 R 采出產(chǎn)品。根據(jù)塔頂溫度切割餾分 ,得到符合純度要求的產(chǎn)品 ,并記錄出料的溫度段 ,用氣相色譜 TCD 進(jìn)行組成分析。(4) 當(dāng)恒沸精餾分離實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將釜液倒出,稱重并分析其組成。(5) 環(huán)己烷可除去雜質(zhì)后重復(fù)利用。2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論分析2.3.1 餾分組成與切割溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可根據(jù)塔頂溫度的變化范圍來切換接收不同組成的餾分 ,本實(shí)驗(yàn)在 82.5 左右收集的餾分能

11、達(dá)到實(shí)驗(yàn)純度要求2.3.2 各操作參數(shù)對(duì)產(chǎn)品純度和收率的影響根據(jù)模擬所得最優(yōu)操作參數(shù)為指導(dǎo),在一定的范圍內(nèi) ,改變恒沸劑環(huán)己烷的用量、回流比等參數(shù),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。2.3.2.1 恒沸劑的影響以回流比 R = 19 ,汽化量約為 0.3kg/ h ,改變恒沸劑的加入量 ,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果如圖 5 和表 4所示。從圖 5 可以看出 ,環(huán)己烷質(zhì)量分率越大 ,異丙醇純度越高。雖然環(huán)己烷是作為挾帶劑除去水分的,但同時(shí)也會(huì)同異丙醇形成二元共沸物 ,故它對(duì)產(chǎn)品的純度和收率都有較大的影響 ,由表 4 可見 ,環(huán)己烷質(zhì)量分率增大時(shí) ,異丙醇收率先增加 ,后減小。而在0.428 左右時(shí) ,達(dá)到最大值?？梢?,實(shí)驗(yàn)結(jié)

12、果與模擬結(jié)果是一致的。2.3.2.2 汽化量的影響為了進(jìn)一步獲取該塔的相對(duì)最優(yōu)的操作汽速,以模擬實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)為參考,以組成m (環(huán)己烷) / m (異丙醇) / m (水) = 0.428 0.5 0.072 進(jìn)料 ,固定回流比 R = 19 ,調(diào)整操作汽速的大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究 ,考察了它對(duì)收率的影響。實(shí)驗(yàn)證明:在汽化量為 0.3kg/ h 時(shí) ,此塔的板效率達(dá)到最大值。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi) ,汽化量對(duì)異丙醇純度和收率影響不是很大。同樣可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果是一致的。2.3.2.3 回流比的影響回流比的控制是精餾最重要的操作條件之一,回流比 R 太小 ,則分離效率低;回流比 R 太大 ,則耗時(shí)耗能,單

13、位時(shí)間的效率不高。本文以模擬的最優(yōu)參數(shù)為參考 ,固定組成 m (環(huán)己烷) / m (異丙醇) /m (水) = 0.428 0.5 0.072 進(jìn)料 ,汽化量為 0.3kg/h ,改變回流比 R 對(duì)產(chǎn)品純度和收率的影響如圖 6和圖 7 所示。如圖 6 所示 ,回流比 R 7 時(shí) ,異丙醇質(zhì)量百分含量大于 99 %。又如圖 7 所示 ,異丙醇收率隨回流比 R 的增大而增大。這是因?yàn)殡S著回流比的增大 ,分離效率提高的緣故。在 R = 19 時(shí) ,異丙醇的單程收率達(dá)到61.1 % ,并且 R 19 后異丙醇單程收率的增幅減緩,趨于穩(wěn)定。所以 ,最優(yōu)的操作回流比 R 為 19。由模擬數(shù)據(jù)圖 4 和實(shí)驗(yàn)

14、數(shù)據(jù)圖 7 相比較 ,可以看出它們的趨勢(shì)是一致的 ,其不同之處在于模擬圖有兩個(gè)階躍突變點(diǎn) ,原因在于模擬的模型與真實(shí)情況的差異引起的。實(shí)驗(yàn)表明 ,對(duì)純度和收率影響的因素是比較多的 ,綜合起來 ,回流比、恒沸劑的加入量等都是重要的影響因素。通過實(shí)驗(yàn)分析可得該塔的最優(yōu)操作條件:汽化量 0.3kg/ h左右 ,回流比 R = 19 ,原料中恒沸劑環(huán)己烷質(zhì)量分率控制在 0.428 左右。3 結(jié) 論實(shí)踐證明 ,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性 , ChemCAD 化工模擬系統(tǒng)中的 CC BATCH間歇精餾模型 ,能方便快捷地應(yīng)用于間歇精餾塔的設(shè)計(jì)和操作條件的模擬計(jì)算及分析 ,可以節(jié)約成本,同時(shí)也可以大大的縮短相應(yīng)工藝的開發(fā)周期。過程模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合為工藝開發(fā)提供了一種新型的開發(fā)方式 ,且在較短時(shí)間內(nèi)找出的最優(yōu)操作條件,對(duì)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)均有積極的參考意義。本文應(yīng)用此種工藝開發(fā)方式 ,對(duì)異丙醇水溶液進(jìn)行過程模擬