萃取精馏分离乙醇-异丙醇体系的实验研究

杨 霞，李桂明，李 崇，张力擎，王 博

（天津天大天海化工新技术有限公司，天津 300384）

异丙醇是一种重要的有机化工原材料，在化学化工中应用广泛[1]：作为溶剂或者萃取剂用于油墨、涂料和制药化工中；作为化学中间体用于生产异丙胺、异丙醚及一些酯类中；还可用于电子工业清洗剂、汽车防冻剂、消毒剂、洗涤用品及日化用品等领域。异丙醇的年消耗量巨大，产生的废液多以异丙醇和乙醇的形式存在。乙醇和异丙醇沸点差仅为4℃，用普通的精馏方法难以将实现两者分离。本研究考察用萃取精馏法来分离异丙醇-乙醇体系。

萃取精馏技术分离的原理是向两元体系中加入第三组分来改变相对挥发度，使得其中一种组分形成蒸汽从另一种难以挥发的组分中分离出来[2]。萃取精馏适用于沸点相近或者共沸体系。目前萃取精馏分离法研究乙醇-水共沸体系和异丙醇-水共沸体系的较多：高建等[3]针对乙醇-水体系中萃取剂的选择问题进行了综述说明，可以为萃取精馏法分离其他共沸体系中萃取剂的选择提供参考。乙二醇是萃取精馏中常用的溶剂，袁旭宏等[4]利用乙二醇纯溶剂及乙二醇和某些无机盐组成的混合溶剂对乙醇-水体系进行萃取精馏分离实验研究，结果表明，虽然复配体系乙二醇+氢氧化钾的混合溶剂有利于乙醇-水体系的分离且耗能低，但是对设备的防腐性能要求高。朱晓明等[5]采用甘油作萃取剂，并基于NRTL模型利用Aspen Plus软件对水-异丙醇共沸体系进行萃取精馏过程模拟研究，发现异丙醇分离后质量分数达到了99.90%，回收率为99.33%，甘油可以破除水/异丙醇的恒沸物，并显示出了良好的分离性能。华超课题组[6]利用乙二醇为萃取剂，通过间歇萃取精馏分离异丙醇和水的共沸物，为间歇萃取精馏在工业上应用提供了指导作用。

目前利用萃取精馏分离乙醇-异丙醇体系的研究较少。本研究将乙二醇和甘油作为萃取剂，用于萃取精馏实验分离乙醇-异丙醇体系并进行了实验初探，得出主要参数与产品纯度之间的关系，为乙醇-异丙醇体系的分离性能提供一些实验依据。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验在间歇萃取精馏塔中进行，如图1所示；塔高3m，塔径为50mm，塔内装θ环填料。塔釜采用电加热，用调压器调节釜温和气化速率，塔顶为循环式冷凝器，塔顶蒸汽经冷凝器冷凝后部分回流，采用回流比控制器控制回流比。

图1 萃取精馏装置

1.2 实验原料

实验中所用的原料均为分析纯。乙醇，甘油：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。异丙醇，乙二醇：麦克林试剂公司。

1.3 实验分析条件

安捷伦7820气相色谱仪[安捷伦科技（中国）有限公司]，色谱柱：HP-1，50m×0.25mm×0.5μm。色谱分析条件：柱温初始35℃，保留时间5min；以5℃/min升温至200℃，保留时间10min；FID检测器为氢火焰检测器，温度300℃；进样室温度200℃；分流比100∶1；载气为氮气。进样量为0.2μL。

1.4 实验步骤

将乙醇和异丙醇以3∶7的比例投入塔釜中，加热至回流，在全回流状态下使塔内建立稳定的浓度梯度。从塔顶加入萃取剂，稳定一定时间后，采出并分析物料组成。本研究主要考察萃取剂不变情况下溶剂比、回流比等对萃取精馏过程的影响。因为乙醇的沸点略低于异丙醇，故塔顶先馏出乙醇。塔顶馏出液中乙醇的含量越高，说明越有利于萃取精馏，分离效果越好。

2 结果与讨论

2.1 甘油为萃取剂时的萃取精馏分离效果

2.1.1 溶剂比对萃取精馏分离效果的影响

实验中保持回流比8∶1不变，改变溶剂比（萃取剂和塔顶回流液的质量比），对分离效果的影响，如表1所示。

表1 溶剂比对分离效果的影响

通过表1可知，甘油作为萃取剂萃取精馏分离乙醇-异丙醇体系时能够提高产品的分离效果。随着溶剂比的增加，馏出液中乙醇的含量逐渐增高，即分离效果越好。这是因为随着萃取剂在塔板上的增多，增大了乙醇/异丙醇的相对挥发度，有利于两者的分离，因此溶剂比越大，分离效果越好。故可以根据馏出物产品的质量分数增加幅度来考察分离效果的影响，以此选择合适的溶剂比，避免能耗过大以及溶剂的循环量加大后续工序的处理量。

2.1.2 回流比对萃取精馏分离效果的影响

实验中保持溶剂比不变，改变回流比，对萃取精馏分离效果的影响如表2所示。

表2 回流比对分离效果的影响

回流比在精馏操作中是一个重要的参数，不但影响产品纯度，还影响着产品的采出速率和操作的时间[6]，从而影响着溶剂用量和能耗。通过表2可知，随着回流比的增大，馏出液中乙醇的浓度也在不断增加，即分离效果变好。但是值得注意的是当回流比过大时，馏出物料的量会相对减少，这样会使得能耗能加，不利于实际生产，因此在工业生产中，要根据实际情况选择合适的回流比。

2.2 乙二醇为萃取剂时的萃取精馏分离效果

实验过程及条件控制同2.1，乙二醇为萃取剂时的萃取精馏实验结果如表3所示。

表3 乙二醇做萃取剂时萃取精馏实验分离效果

通过表3所知，当乙二醇作萃取剂时，萃取精馏分离乙醇-异丙醇体系时能够提高产品的分离效果。当溶剂比不变时，随着回流比的增加，馏出液中乙醇的含量也不断增加，即分离效果变好；当回流比不变时，随着溶剂比的增加，馏出液中乙醇含量也在增加，即分离效果也在不断增加。总体来说，当乙二醇作萃取剂时，萃取精馏实验分离乙醇和异丙醇，是有分离效果的。但是与甘油比较，甘油作萃取剂时效果更明显。

2.3 乙二醇和甘油混合液作萃取剂时的萃取精馏分离效果

因为甘油黏度较大，为了增大流动性，将甘油与乙二醇体积比2∶1混合，进行萃取精馏实验研究。保持回流比不变，考察溶剂比对萃取精馏分离效果的影响，实验结果如表4所示。

表4 乙二醇与甘油混合液作萃取剂时萃取精馏实验分离效果

通过表4可知，当乙二醇和甘油混合液为萃取剂时，对乙醇和异丙醇混合液是有分离效果的：当回流比不变时，随着溶剂比的增加，馏出液中乙醇的含量不断增加。但是相比于甘油作萃取剂，分离效果较差。

3 结束语

针对乙醇和异丙醇混合液的分离，选择适宜萃取剂，萃取精馏是一种可行的工艺，具体结论如下：①甘油、乙二醇和甘油与乙二醇混合液作为萃取剂时，通过萃取精馏实验分离乙醇和异丙醇混合液，甘油的分离效果最好。②改变溶剂比和回流比，能够影响乙醇和异丙醇的分离效果：固定溶剂比不变，回流比越大，分离效果越好；当回流比不变时，随着溶剂比的增加，分离效果变好。