蘇義意 , 吳淑晶 , 沙 洲
(上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 , 上海 201620)
?
利用新型萃取劑制取無水乙醇的研究
蘇義意 , 吳淑晶 , 沙洲
(上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 , 上海201620)
摘要:工業(yè)酒精含水量為5%左右,它是一種恒沸物,共沸為78.15 ℃。考察目前工業(yè)上制取無水乙醇最常用的幾種方法,都有各自的缺點(diǎn)。本文主要介紹了在萃取精餾和溶鹽精餾優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,發(fā)展起來的一種新的方法—加鹽萃取精餾法,研究乙二醇+氯化鈉在乙醇—水體系中的分離作用。
關(guān)鍵詞:無水乙醇 ; 新型萃取劑 ; 加鹽萃取精餾
0引言
乙醇是非常重要的有機(jī)溶劑,廣泛用于醫(yī)藥、涂料、化妝品、油脂等各個(gè)領(lǐng)域,占乙醇總耗量的50%左右。乙醇是重要的基本化工原料,用于制造乙醛、乙二烯、乙胺、乙酸乙酯、乙酸、氯乙烷等,而無水乙醇亦是非常重要的有機(jī)溶劑,其含乙醇達(dá)99%以上。工業(yè)上可以將其與汽油按比例調(diào)和,生產(chǎn)車用乙醇汽油。有的國家已開始單獨(dú)用乙醇作為汽車燃料或摻到汽油(10%以上)中使用以節(jié)約汽油[1]。在萃取精餾溶劑中加入溶鹽,既提高了溶劑的選擇性,也克服了固體鹽循環(huán)、回收的困難,這種新型、高效的精餾方法稱為加鹽萃取精餾。它在技術(shù)上比目前國外普遍采用的乙二醇萃取精餾生產(chǎn)無水乙醇方法先進(jìn),改進(jìn)了溶劑效果、減少了溶劑比和所需塔板數(shù)、節(jié)約了操作費(fèi)用和設(shè)備投資。加鹽萃取精餾制取無水乙醇新工藝已在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[2]。
1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
1.1萃取劑的確定
根據(jù)相似相溶的規(guī)律,極性物質(zhì)易溶于極性物質(zhì)中,非極性物質(zhì)易溶于非極性溶劑中。乙二醇的介電常數(shù)為37.70,而乙醇的介電常數(shù)為24.30,水的介電常數(shù)為78.30,由此可以看出乙二醇的介電常數(shù)是介于乙醇和水之間,顯然,它們對(duì)水的親和力要大于乙醇對(duì)水的親和力,乙二醇的存在破壞了乙醇—水體系的恒沸點(diǎn),提高了乙醇的揮發(fā)度(乙二醇的分子結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)吸水性是破壞乙醇—水恒沸物的原因),所以,本實(shí)驗(yàn)最終確定乙二醇為本實(shí)驗(yàn)的萃取劑[3]。
1.2鹽類的確定
如果僅以乙二醇作為萃取劑進(jìn)行蒸餾,在實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐中存在著以下兩個(gè)問題:一是溶劑比太大,二是產(chǎn)品不穩(wěn)定。由于離子鹽NaCl易電離,所以在溶液中會(huì)產(chǎn)生一定的電場(chǎng)作用,雖然這種作用力比較弱,但介電常數(shù)比較大的水分子仍可聚集在離子的周圍。對(duì)水而言,乙醇的活度系數(shù)就會(huì)相對(duì)增大,所以乙醇—水共沸體系的相對(duì)揮發(fā)度變大,這有利于乙醇的分離,所以本實(shí)驗(yàn)最終選用含鹽NaCl的乙二醇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[4]。
1.3回流比的確定
回流比是指L/D(L,回流液;D,餾出液),本實(shí)驗(yàn)在不同進(jìn)料乙醇濃度和不同萃取劑濃度的情況下,選擇回流比為3∶1、4∶2和1∶1,考察回流比對(duì)乙醇—水體系分離效果的影響。
1.4實(shí)驗(yàn)步驟
前期在不加入萃取劑乙二醇的情況下,通過改變進(jìn)料濃度、回流比、鹽的加入量等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù),分別討論不同進(jìn)料濃度及不同回流比對(duì)產(chǎn)品濃度的影響,不同進(jìn)料濃度的原料中加入不同劑量的氯化鈉時(shí)塔頂產(chǎn)品濃度的變化規(guī)律,后期加入萃取劑再重復(fù)前期步驟進(jìn)行探究。
2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析
2.1NaCl對(duì)乙醇—水分離的影響
當(dāng)進(jìn)料乙醇濃度為80%,其他條件相同,三種不同的回流比,加入不同質(zhì)量的氯化鈉,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響如圖1所示。
圖1 進(jìn)料濃度為80%時(shí),不同量NaCl對(duì)乙醇水分離的影響
由圖1可知,隨著氯化鈉加入量的增加,產(chǎn)物乙醇的濃度也升高,表明高濃度的鹽能促進(jìn)乙醇—水體系的分離。
2.2NaCl+乙二醇對(duì)乙醇—水分離的影響
原料乙醇濃度分別為70%、80%、90%時(shí),回流比為3∶1的情況下分別進(jìn)行不加鹽的普通精餾、只加氯化鈉和加入氯化鈉+乙二醇的精餾實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線,對(duì)比如圖2-4所示。
圖2 70%原料乙醇,NaCl+乙二醇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
圖3 80%原料乙醇,NaCl+乙二醇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
圖4 90%原料乙醇,NaCl+乙二醇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同的進(jìn)料濃度和相同的回流比的情況下,同時(shí)加入NaCl和乙二醇的實(shí)驗(yàn)要比僅僅加入NaCl的實(shí)驗(yàn)效果好,出料濃度能夠達(dá)到99.5%以上,接近99.9%。所以NaCl+乙二醇能夠更好地促進(jìn)乙醇—水體系的分離。
2.3不同回流比對(duì)乙醇—水分離的影響
在原料濃度分別為70%、80%、90%的情況下,其他條件相同,分別進(jìn)行回流比為1∶1、4∶2、3∶1的實(shí)驗(yàn),探究不同回流比對(duì)乙醇—水體系分離的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同回流比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
由圖5可知,在70%進(jìn)料濃度的情況下,出料乙醇的濃度在回流比為4∶2達(dá)到最高,在90%的進(jìn)料濃度下,隨著回流出料比的不斷增大,出料產(chǎn)品濃度也隨之不斷增高,并在回流出料比為4∶2時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)品濃度97.0%。所以可以得出4∶2為本實(shí)驗(yàn)的最佳回流比。
2.4不同濃度原料乙醇對(duì)乙醇—水分離的影響
不同濃度的進(jìn)料乙醇必然會(huì)對(duì)出料乙醇濃度有所影響,本實(shí)驗(yàn)在最佳回流比4∶2的條件下,通過改變不同的進(jìn)料乙醇濃度來探究其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖6 進(jìn)料乙醇濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
由圖6可知,隨著原料乙醇濃度的增加,實(shí)驗(yàn)得到的乙醇濃度也隨之增加。
3結(jié)論
本文對(duì)采用乙二醇作為萃取劑分離乙醇—水體系進(jìn)行了研究,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:①
其他實(shí)驗(yàn)條件最佳時(shí),改變實(shí)驗(yàn)初始進(jìn)料濃度,發(fā)現(xiàn)塔頂產(chǎn)品濃度隨初始進(jìn)料濃度的增大而增大,當(dāng)初始進(jìn)料濃度為90%時(shí),塔頂產(chǎn)品濃度達(dá)到最大值為99.8%,說明出料濃度與進(jìn)料濃度成正比關(guān)系。②其他實(shí)驗(yàn)條件不變,改變回流比的大小,塔頂產(chǎn)品濃度隨之而改變,在相同的溶劑比下,回流出料比越大,塔頂產(chǎn)品濃度越高。這與回流比越大分離效果越好的理論是一致的。同時(shí),隨著回流比的增加,回流量增加,使得塔頂冷凝器的熱負(fù)荷增大,導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品收率下降。所以最佳的回流比為4∶2。③在相同進(jìn)料濃度與相同回流比的情況下,加入離子鹽NaCl,塔頂產(chǎn)品濃度也隨之而增大,在進(jìn)料濃度為90%的情況下,產(chǎn)物乙醇能夠達(dá)到99.2%,說明NaCl對(duì)乙醇—水恒沸體系的分離有著良好地促進(jìn)作用。它的優(yōu)點(diǎn)是原料利用率高、無三廢排放、產(chǎn)品穩(wěn)定、無廢液處理問題等。④最佳實(shí)驗(yàn)條件下,在NaCl的基礎(chǔ)上加入乙二醇,NaCl+乙二醇能夠更好地促進(jìn)乙醇—水體系的分離,得到濃度為99.8%的乙醇,同時(shí)證明乙二醇作為本實(shí)驗(yàn)的萃取劑是可行的。
參考文獻(xiàn):
[1]袁旭宏,熊雙喜.乙醇—水體系的間歇萃取精餾[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(31):8451-8453.
[2]董紅星,劉劍,裴健.加鹽萃取精餾的研究進(jìn)展[J].化工時(shí)刊,2004,5:55-58.
[3]段占庭,雷良恒,周榮琪,等.加鹽萃取精餾的研究(Ⅰ)—用乙二醇加醋酸鉀制取無水乙醇[J].石油化工,1980(6):153-155.
[4]譚倪.制取無水乙醇的兩種方法的研究及比較[J].郴州師專學(xué)報(bào),1997(2):49-51.
[5]王洪海,李春利,方靜,等.加鹽萃取精餾制取無水乙醇過程的模擬[J].石油化工,2008(3):77-79.
Study on the Preparation of Anhydrous Ethanol Using New Type Extraction Agent
SU Yiyi , WU Shujing , SHA Zhou
(College of Chemistry and Chemical Engineering , Shanghai University of Engineering Science , Shanghai201620 , China)
Abstract:Industrial alcohol is about 5% moisture content,it is aconstant boiling mixture,as 78.15 ℃ azeotropic.Several methods of preparing anhydrous alcohol in industry are investigated and have their own shortcomings.In the extractive distillation and soluble salt distillation advantages and disadvantages based and developed a new method of extractive distillation with salt method is introduced in this paper,ethylene glycol + sodium chloride in ethanol-water in the system of separation of roles is researched.
Key words:anhydrous alcohol ; new extractant agent ; extractive distillation with salt
中圖分類號(hào):TQ214
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1003-3467(2016)03-0023-03
作者簡介:蘇義意(1997-),男,本科在讀,研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程與工藝,E-mail:18321261825@163.com。
基金項(xiàng)目:上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目資助(CX1504004)。
收稿日期:2016-02-03