四氢呋喃和乙醇的有效分离

2012-01-11 06:45刘琳琳栾业伟马春宏
通化师范学院学报 2012年12期
关键词:四氢呋喃塔顶收率

刘琳琳,栾业伟,马春宏

(吉林师范大学 教务处,吉林 四平 136000)

在化工和制药行业中,四氢呋喃和乙醇被作为一种重要的溶剂而广泛应用.但在最终产品中必须对其排除干净,如大量排放不回收,形成的有机废气或废液,不仅造成生产成本提高、环境的污染,还可能造成生产事故[1].为了避免严重的资源浪费,如何回收再利用四氢呋喃和乙醇就成为我们研究的重要课题.

四氢呋喃和乙醇可形成最低共沸物,在生产过程中其体系不能通过简单蒸馏完全分离.离子液体所产生的盐效应能改变液体组分之间的相对挥发度,打破共沸现象,能够提高精馏效率,并且不挥发、毒性小、可循环利用.因此,可以作为萃取剂应用于共沸物系的分离过程.目前含有离子液体的汽液平衡数据研究已有相关报道[2-3],本文选用体积分数为30% 的[OMIm]BF4作为四氢呋喃-乙醇物系萃取精馏的溶剂[4],进行间歇萃取精馏,探讨不同回流比、萃取剂比,萃取剂进料流率等因素对分离效果的影响,确定最佳的工艺条件.将为离子液体应用于分离方面的研究增加新的研究成果.

1 实验药品

表1 实验药品及规格

2 实验仪器

精馏塔(天津鹏翔科技有限公司);汽液平衡釜;气相色谱仪;质量流量控制器(1ml);电子天平(精度为0.1mg);烧杯;移液管(10ml);加热套.

3 实验装置

图1 萃取精馏装置图

4 实验步骤

(1)配备一定体积的四氢呋喃/乙醇的混合液,加入塔釜,量取一定体积的萃取剂加入到高位槽中.

(2)未加萃取剂下的全回流操作:塔顶冷凝器通入冷却水,接通电源对塔釜进行加热,每隔10min记录一次塔顶、上段、下段、塔釜的温度,同时再缓慢提高加热套的加热电压,一直到全塔处于稳定状态,记录此时的加热电压、釜温、顶温,采塔顶样品用气相色谱仪测定其浓度.

(3)加萃取剂下的全回流操作:待步骤(2)全回流稳定后,向塔内加入萃取剂,每隔10min记录一次实验数据,恒定回流比下的产品采出操作:当塔顶浓度稳定后,调节回流比控制器,以一定的回流比采出馏分.每隔10min记录一次塔顶、上段、下段、塔釜,并从塔顶采样口采出塔顶馏分,从塔顶采出过渡馏分和重组分,最终塔釜富集溶剂,以回收利用.

(4)实验结束后,切断电源,停止加热,继续供给冷却水至塔釜温度降至室温,再关掉冷却水.

5 实验结果

5.1 回流比对分离效果、塔顶馏分纯度和收率的影响

(1)常规间歇精馏过程中塔顶、上段、下段和塔釜温度随时间的变化.变化如图2所示.

图2 间歇精馏塔温度随着时间的变化

由图2可以看出,塔顶、塔上段、塔下段和塔釜温度,都随精馏时间的增加而增加,塔釜温度最高,上段和下段温度次之,塔顶温度最低.当R=4时,四氢呋喃的主要流出时间为50~150min,塔顶温度在62.1~75.9℃内,塔顶温度63.4℃,精馏时间在100min,塔顶流出的四氢呋喃的浓度最高可达到94.89%;当R=5时,当精馏时间达到50min后,塔内处于全回流的稳定状态,此时塔顶温度保持在58.5~63.7℃范围内,此状态一直持续到140min左右结束,塔顶温度63.1℃,精馏时间在90min,塔顶流出的四氢呋喃的浓度最高可达到98.54%;当R=7时,精馏开始的第40分钟到第90分钟内,塔顶温度稳定于61.9~66.2℃之间,此时四氢呋喃大量的流出,塔顶温度63.4℃,精馏时间在70min,塔顶流出的四氢呋喃的浓度最高可达到93.7%.

(2)塔顶产品组成随塔顶温度和精馏时间的变化.当R=4、R=5、R=7时塔顶产品含量随精馏时间的变化如图3所示.

图3 塔顶产品含量随精馏时间的变化

由表3和图4可知,在回流比R=5时,四氢呋喃的回收率最高.随着回流比的增加,塔顶馏出物中四氢呋喃的含量增加,表明增大回流比有利于提高塔顶馏出物中四氢呋喃的浓度.但再增大回流比,蒸馏时间延长,能耗增加.所以,实际分离过程需综合考虑操作费用和分离要求控制适宜的回流比.研究认为适宜的回流比为5时,四氢呋喃的浓度98.51%,收率为82.16%.

表3 产品回收率统计表

图4 回流比对塔顶馏出物浓度和收率的影响

5.2 萃取剂比对分离效果的影响

参照上述分析方法,保持回流比R=5,分别探讨萃取剂比为10%、20%、30%时,常规间歇精馏过程中塔顶、上段、下段和塔釜温度随时间的变化,以及塔顶产品组成随塔顶温度和精馏时间的变化,计算四氢呋喃和乙醇的回收率.

表4 产品回收率计算表

图5 萃取剂比对塔顶馏出物的影响

由表4和图5可知,四氢呋喃的收率随着萃取剂比减小而减小.在萃取剂30%时,四氢呋喃的回收率最高,萃取剂20%和10%时,四氢呋喃和乙醇回收率变化不大,随着萃取剂比的增加,塔顶馏出物中四氢呋喃含量增加,表明增大萃取剂比有利于提高塔顶馏出物的浓度.研究认为适宜的萃取剂比为30%,四氢呋喃的浓度最高可达到98.55%,收率为82.5%.

5.3 萃取剂流率对分离效果的影响

同样参照上述分析方法,分别探讨萃取剂流率为2.5ml/min、3ml/min、4ml/min时,常规间歇精馏过程中塔顶、上段、下段和塔釜温度随时间的变化,以及塔顶产品组成随塔顶温度和精馏时间的变化,对溶液中四氢呋喃与乙醇的回收率进行计算.

表5 产品回收率计算表

表5和图6是萃取剂流量对塔顶产品浓度的影响结果.在萃取剂流量4ml/min时,塔顶馏出物中四氢呋喃的浓度最高.随着萃取剂流量的增加,塔顶馏出物中四氢呋喃的回收率增加,表明增大萃取剂流量有利于提高塔顶馏出物的浓度.研究认为适宜的萃取剂比为4ml/min,四氢呋喃的浓度98.51%,收率为81.44%.

图6 萃取剂流量对塔顶馏出物的影响

5.4 不同萃取剂对分离效果的影响

确定萃取剂为[OMIM]BF4,回流比R=5时,继续探讨1-辛基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐3种不同萃取剂对分离效果的影响

表6 不同萃取剂下四氢呋喃的浓度和收率

图7 不同离子液体对塔顶馏出物的影响

由表6和图7可知,当离子液体是[OMIM]BF4时,四氢呋喃的回收率最高.随着离子液体分子量的增加,塔顶馏出物中四氢呋喃的含量也增加,表明离子液体的分子量越大越有利于提高塔顶馏出物的浓度.研究认为采用离子液体[OMIM]BF4时,四氢呋喃的浓度98.56%,收率为81.96%.

6 结语

本文实验研究了四氢呋喃、乙醇二元共沸物系的分离,考察了分离温度、间歇精馏时间、回流比、萃取剂比等操作参数对分离过程的影响.结果表明:当回流比为5、萃取剂比30%、萃取剂流率4ml/min时,同时采用离子液体[OMIM]BF4,塔顶馏出物中四氢呋喃的浓度最高,萃取精馏效果最好.

参考文献:

[1]李克,万邦廷.溶剂回收[M].北京:兵器工业出版社,1991.

[2]李汝雄,王建基.离子液体的多元相平衡研究进展[J].北京石油化工学院学报,2005,13(4):28-34.

[3]王萧科,田敉.离子液体萃取精馏分离苯-环己烷物系[J].石油化工,2008,37(9):905-909.

[4]李贞玉,刘洪宇,朴明俊.四氢呋喃-乙醇-离子液体三组分物系汽液平衡[J].化学工程,2011(8):55-59.

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