异丙醚-异丙醇-水三元共沸物的分离

叶 青，黄 路，陆叶倩，杜广耀

（常州大学化学化工学院，江苏 常州 213164）

研究开发

异丙醚-异丙醇-水三元共沸物的分离

叶 青，黄 路，陆叶倩，杜广耀

（常州大学化学化工学院，江苏 常州 213164）

以乙二醇为溶剂，对异丙醚-异丙醇-水三元共沸物采用间歇萃取精馏进行分离研究，考察了在溶剂不同进料速率、回流比、进料温度等条件下的分离情况，找到了实验条件下分离此三元共沸物的最佳条件。最佳条件为：溶剂进料位置为塔顶，回流比为2，溶剂进料速率在分离异丙醚和分离异丙醇两个阶段分别为11.4 g/min和8.08 g/min，溶剂进料温度分别为70.0 ℃和100.0 ℃。在此条件下，异丙醚产品质量分数可达0.95，收率为0.985；异丙醇产品质量分数可达0.97，收率为0.968。

间歇萃取精馏；异丙醚；异丙醇；乙二醇

异丙醇的生产以丙烯和水为原料，采用酸性或阳离子交换树脂催化，经水合生成[1]。合成过程中的副产物异丙醚能与异丙醇、水相互之间在常压下形成二元和三元共沸体系[2]，其中三元共沸物的组成为：异丙醚∶异丙醇∶水=0.91∶0.04∶0.05（质量比），共沸温度61.8 ℃，用常规精馏方法得不到高纯度产品。为了增加副产物异丙醚的附加值，人们对该体系的分离精制进行了大量的研究，采用恒沸精馏和萃取的工艺较为成熟，但普遍存在工艺复杂、能耗高、间歇操作等问题，难以在工业生产中大规模应用[3-4]。也有采用萃取精馏分离该恒沸体系的研究[5]，但采用水作为萃取剂，因此产品中必然含有大量的共沸水，难以得到高纯度的产品。

间歇萃取精馏[6]作为一个新兴的研究课题，同时具备间歇精馏的灵活性、经济性和萃取精馏的实用性[7]。它是通过向精馏塔上部加入适当流量的溶剂以增大共沸物组分之间的相对挥发度，从而使难分离物系转化为易分离物系，让分离得以实现并降低成本的一种特殊间歇精馏技术。因此在共沸物的分离方面具有明显的优越性[8]：设备简单、投资较小；可单塔分离多组分混合物；设备通用性强，可用同一塔处理种类和组成不同的物系；对于近沸物和共沸物的分离，与共沸精馏相比操作过程简单，有较好的经济性。

本文作者以乙二醇为溶剂，对异丙醚-异丙醇-水三元共沸物采用间歇萃取精馏进行分离研究，考察了不同溶剂比、回流比、溶剂进料温度下的分离情况，所得结果为间歇萃取精馏在工业上的进一步应用提供了一定的指导作用。

1 间歇萃取精馏实验

1.1 装置及流程

实验装置如图 1所示。塔柱及冷凝器均为玻璃材质，塔釜容积1000 mL，塔内径为30 mm，填料为玻璃弹簧（直径4 mm，长度10～20 mm）。萃取精馏塔中填料层高度为1700 mm，在全加流条件下经测定[9]最小理论塔板数为6。实验在常压下进行。

图1 实验装置简图

实验中，在塔釜一次性加入异丙醚-异丙醇-水原料，经过塔釜再沸器加热，形成上升蒸气，同时，在操作塔的上部加入溶剂乙二醇，乙二醇为连续进料。出料共分为6个阶段，即异丙醚出料阶段、过渡段1、异丙醇出料阶段、过渡段2、水的收集阶段以及溶剂回收阶段。出料均在产品收集器中进行，前一阶段产品清空后，再进行下一阶段产品的收集。

1.2 分析方法

采用上海海欣色谱有限公司生产的GC-950型气相色谱仪（色谱柱型号为SE—30、规格为30 m ×0.3 mm）分析出料的含量。色谱条件为TCD检测器，柱温180.0 ℃，汽化温度200.0 ℃，检测室温度180.0 ℃，载气为H2。进样量为0.4 μL。用面积归一法计算含量。

2 实验结果与讨论

原料进料组成为质量分数为 60%的异丙醚、25%的异丙醇、15%的水，原料中水的含量相对较少，故此仅讨论操作条件改变对产品异丙醚和异丙醇的影响。按照质量比，于实验前配制好所需原料。

2.1 异丙醚收集阶段最佳条件的测定

在异丙醇收集段条件不变，改变异丙醚收集阶段的操作条件，确定异丙醚收集阶段的最佳条件。

2.1.1 异丙醚收集阶段溶剂进料速率的影响

称取83.33 g原料加入塔釜，在回流比为2、溶剂进料温度为70.0 ℃的条件下，改变间歇萃取精馏的溶剂进料速率，考察溶剂进料速率对塔顶异丙醚产品质量分数及收率的影响。实验结果如图2所示。

由图2可知，随着溶剂进料速率增大，异丙醚的质量分数逐渐上升；但溶剂进料速率过大时，异丙醚的质量分数有所下降。这是因为，溶剂的加入改变了物系的相对挥发度，同一时间内进入塔内的溶剂越多，对相对挥发度的影响就越大，异丙醚和水就容易分离。但溶剂进料速率过大，使精馏塔中的液相增多，影响汽液间的传质，对一定处理能力的精馏塔，还有可能导致局部产生液泛现象。同时，溶剂进料过快，还会使溶剂在再沸器中的累积量加大，导致再沸器的容量也要相应加大，也为后续溶剂回收带来困难。故在分离要求达到的前提下，存在适宜的溶剂用量。故总体考虑，取溶剂进料速率为11.4 g/min较为合适。

图2 异丙醚收集阶段溶剂进料速率对产品分离效果的影响

2.1.2 异丙醚收集阶段回流比的影响

称取83.33 g原料加入塔釜，在溶剂进料速率为11.4 g/min，进料温度为70.0 ℃，改变间歇萃取精馏的回流比，考察回流比对塔顶异丙醚产品质量分数及收率的影响。实验结果如图3所示。

由图3可知，当回流比小于2时，塔顶异丙醚质量分数随着回流比的增大而增大；在实验中当回流比大于2时，塔顶异丙醚的质量分数随着回流比的增大而减小。这是因为，当回流比较小时，随着回流比的增大，分离效果增大；但回流比过大时，回流量过多会降低塔板上萃取剂的浓度，从而使塔顶异丙醚的质量分数降低。故综合考虑，选取回流比为2。

2.1.3 异丙醚收集阶段溶剂进料温度的影响

图3 异丙醚收集阶段回流比对产品分离效果的影响

图4 异丙醚收集阶段乙二醇进料温度对产品分离效果的影响

称取83.33 g原料加入塔釜，在溶剂进料速率为11.4 g/min、回流比为2的条件下，改变间歇萃取精馏的溶剂乙二醇进料温度，考察乙二醇进料温度对塔顶异丙醚产品质量分数及收率的影响。实验结果如图4所示。

由图4可知，当溶剂加入温度过低时，异丙醚的质量分数较低；当溶剂的进料温度达到 70.0 ℃时，异丙醚的质量分数最高；溶剂的进料温度过高时，异丙醚的质量分数降低。这是因为一般溶剂入塔温度应与塔内该处的温度相近，以减少由于加入大量溶剂引起塔内汽相流量的改变。当溶剂的温度过高或过低时，大量的溶剂进料破环了汽液平衡，会影响进料位置上下的温度及物料平衡，导致分离效果较差。故选择溶剂进料温度为70.0 ℃，此时接近溶剂进料处塔板温度68.2 ℃，产品的分离效果最佳。

2.2 异丙醇收集阶段最佳条件的测定

异丙醚收集阶段采用最佳条件，异丙醇收集阶段在溶剂乙二醇进料位置为塔顶，依次考察溶剂进料速率、溶剂进料温度及回流比的影响。

2.2.1 异丙醇收集阶段溶剂进料速率的影响

称取83.33 g原料加入塔釜，异丙醚收集阶段采用最佳条件，异丙醇收集阶段进料温度为 80.0℃，回流比为2的条件下，改变间歇萃取精馏的溶剂进料速率，考察溶剂进料速率对塔顶异丙醇产品质量分数及收率的影响。实验结果如图5所示。

由图5可知，当溶剂进料速率为8.08 g/min时，异丙醇的质量分数达97%，收率达96.5%。

2.2.2 异丙醇收集阶段溶剂进料温度的影响

图5 异丙醇收集阶段溶剂进料速率对产品分离效果的影响

图6 异丙醇收集阶段乙二醇进料温度对产品分离效果的影响

称取83.33 g原料加入塔釜，异丙醚收集阶段采用最佳条件，异丙醇收集阶段在溶剂进料速率为8.08 g/min、进料位置为塔顶、回流比为2的条件下，改变间歇萃取精馏的溶剂乙二醇进料温度，考察乙二醇进料温度对塔顶异丙醇产品质量分数及收率的影响。实验结果如图6所示。

由图6可知，当溶剂乙二醇进料温度100 ℃时，异丙醇的质量分数达97%，收率达96.8%，此时的收率达到了最大值。故在实验中所选溶剂乙二醇的进料温度为100 ℃。

2.2.3 异丙醇收集阶段回流比的影响

称取83.33 g原料加入塔釜，异丙醚收集阶段采用最佳条件，异丙醇收集阶段在溶剂进料速率为8.08 g/min、进料温度为 100 ℃的条件下，改变间歇萃取精馏的回流比，考察回流比对塔顶异丙醇产品质量分数及收率的影响。实验结果如图7所示。

由图7可知，回流比为2时，异丙醇产品的分离效果最佳。

2.3 精馏时间与塔顶产品组成

图7 异丙醇收集阶段回流比对产品分离效果的影响

图8 精馏时间与塔顶产品组成关系图

间歇萃取精馏分离异丙醚-异丙醇-水体系在最佳操作条件下进行实验，塔顶产品组成随精馏时间的变化情况如图8所示。

从图8中可以看出随着精馏过程的进行塔顶采出产品组成的变化情况。在精馏实验进行的30～50 min内（即塔顶产品采出过程的前20 min），异丙醚的质量分数基本保持不变，维持在98%附近，该时间段为异丙醚的主要收集阶段。随后，塔内组成发生明显变化，异丙醚含量急剧下降，至65 min后，开始缓慢下降，最终接近 0。异丙醇的质量分数从55 min开始急剧上升，在65 min时达到93%，进入主要收集阶段，维持约20 min。95 min时，异丙醇质量分数也开始迅速下降，100 min时接近于0。

2.4 精馏时间与塔顶温度

间歇萃取精馏分离异丙醚-异丙醇-水体系在最佳操作条件下进行实验，塔顶温度随精馏时间的变化情况如图9所示。

图9 精馏时间与塔顶温度关系图

由图9可以看出，精馏实验进行的10～20 min内（即溶剂开始加入后的前 10 min），塔顶温度维持在62.2 ℃，这是因为全回流刚开始时塔顶出现的是异丙醚-异丙醇-水的共沸物。之后温度开始上升并持续10 min，这是因为加入的乙二醇破坏了共沸体系，异丙醚开始被蒸出。30 min时塔顶温度上升至68.2 ℃，并保持35 min，进入异丙醚采出阶段。随后温度继续上升，异丙醇开始被蒸出。65 min时，温度上升至78.6 ℃，随后70～90 min内维持在79.4℃左右，进入异丙醇采出阶段。95 min时，温度略微升至81.2 ℃。之后的5 min内温度急剧上升，达96.8 ℃。105 min时，又升至98.4 ℃。这是因为此时异丙醇已逐渐蒸完，塔顶开始蒸出水，导致温度上升。而110 min时温度又迅速下降，这是由于水也已蒸完，导致了温度的再次下降。

3 结 论

采用间歇萃取精馏对异丙醚-异丙醇-水三元共沸物进行了分离，实验所得最佳操作条件如下：分离异丙醚阶段溶剂进料速率为 11.4 g/min，回流比为2，溶剂进料温度为70.0 ℃，溶剂进料位置为塔顶；分离异丙醇阶段溶剂进料速率为 8.08 g/min，溶剂进料位置为塔顶，溶剂进料温度为100 ℃，回流比为 2。在此条件下，异丙醚产品的质量分数可达95%，收率为98.5%；异丙醇产品的质量分数可达97%，收率为96.8%。

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[9]徐鸽，杨基和. 化学工程与工艺专业实验[M]. 北京：中国石化出版社，2007.

Batch extractive distillation for separation of ether-isopropanol-water azeotropic system

YE Qing，HUANG Lu，LU Yeqian，DU Guangyao
（School of Chemical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China）

Batch extractive distillation for ether-isopropanol-water mixture was studied by using glycol as the extractant. The influence of solvent feeding rate，reflux ratio and solvent feeding temperature was investigated. Under the optimal operation conditions：solvent feeding location at the column top，reflux ratio was 2，solvent feeding rate 11.4g/min in the step of isopropyl ether collection and 8.08 g/min in the step of isopropanol collection，solvent feeding temperature 70.0 ℃ in the step of isopropyl ether collection and 100.0 ℃ in the step of isopropanol collection，the mass fraction of isopropyl ether at the column top could reach 0.95 and its yield was 0.985，the mass fraction of isopropanol at the column top could reach 0.97 and its yield was 0.968.

batch extractive distillation；isopropyl ether；isopropanol；glycol

TQ 018

A

1000–6613（2011）07–1435–05

2010-12-07；修改稿日期：2011-01-18。

及联系人：叶青（1968—），女，博士，副教授。E-mail yeqing@cczu.edu.cn。