注：本文原发表于《南京工业大学学报》2008年09月第30卷第5期，如需PDF原文，请留下邮箱，注明所需文章即可。 李小保 ,叶菊娣
摘 要: 针对间歇恒沸精馏法从异丙醇水溶液中回收异丙醇能耗高的问题 ,研究了传统和新型操作方式对二元、三元间歇恒沸精馏的影响.结果表明:对二元间歇恒沸精馏过程 ,动态累积操作的产品馏份浓度、收率以及过渡馏份量和浓度同固定回流比操作相差不大 ,能耗可降低 53.5%.对三元间歇恒沸精馏过程 ,采用固定回流比、全回流以及双塔釜交替式操作都可得到 99.0%以上的异丙醇.同固定回流比、全回流操作相比 ,双塔釜交替式操作的异丙醇收率分别由 39.3%和 72.7%提高至 84.2%,能耗分别降低 63.4%和 19.1%.因此 ,二元间歇恒沸精馏宜采用动态累积操作,三元间歇恒沸精馏宜采用双塔釜交替式操作。
关键词: 异丙醇;能耗;固定回流比操作;动态累积操作;双塔釜交替操作 在工业生产过程中,从含异丙醇的废水中回收异丙醇,可达到降低原料消耗和废水处理的目的 .由于异丙醇和水在 80.3 ℃会形成恒沸物(m (异丙醇) ∶m （水） =87.4∶12.6 .因此,不能采用普通精馏法回收高浓度的异丙醇,工业上一般采用二元恒沸精馏和三元非均相恒沸精馏串联工艺.由于{dy}步精馏需在较大回流比下操作才能得到二元恒沸物,且第二步精馏中三元非均相恒沸物（m （异丙醇）∶m（水）:m（环己烷）=74.0∶18.5∶7.5)和二元恒沸物的沸点差较小,也需在较大回流比下操作.因此,两步精馏能耗都较高.针对能耗较高的问题,黄涛等采取降低{dy}步精馏中异丙醇的含量,并将萃取-恒沸精馏联合流程应用于三元非均相连续恒沸精馏过程,结果表明可节能 40%左右.对该体系间歇沸精馏过程能耗的研究未见报道.
间歇精馏是精细化工生产中的重要单元操作,具有单塔分离多组分混合物、允许进料浓度变化大等优点.随着精细化工和医药等行业的发展,间歇精馏技术的研究也日益受到重视 ,特别是新型操作方式的研究十分活跃 .传统操作方式下,降低间歇精馏能耗优化的报道较多 ,但优化的操作不易控制 ,新型操作方式下间歇精馏过程能耗的研究较少. 笔者针对从34%（质量分数 ,下同）异丙醇水溶液中回收异丙醇的过程 ,研究了传统和新型操作方式对二元、三元间歇恒沸精馏中产品馏份浓度、异丙醇收率、过渡馏份量和浓度以及精馏时间的影响.以降低能耗为目标,确定适宜的操作方式,为进一步工业化和其他体系间歇精馏的节能研究提供参考.
1 实验部分 1.1 装置 实验采用的间歇精馏装置如图 1所示.装置主要部分如下: 1）塔釜为1 000mL的四口瓶 ,分别插接塔体、温度计、取样口和 U型管压差计; 2）塔体为20mm内径的玻璃管 ,内装1.2m高的Ф2mm ×2mm不锈钢θ环; 3）塔顶可装分水塔头和可调回流比塔头.
1.2 操作 1.2.1 二元恒沸精馏 向1 000mL的釜中加入34%的异丙醇水溶液300 g,开冷凝水 ,固定塔釜加热电流(0.6A ),通电加热 ,塔顶有回流后稳定20min.设定回流比控制器并开始计时 ,分别收集产品馏份和过渡馏份. 1.2.2 三元恒沸精馏 向1 000mL的釜中加入300 g二元恒沸产品馏份(86.31%异丙醇)和一定量的环己烷 ,开冷凝水 ,固定塔釜加热电流(0.6A ),通电加热 ,塔顶有回流后稳定20min.设定回流比控制器并开始计时 ,分别收集三元恒沸物(或出水相)、过渡馏份和异丙醇. 1.3 分析仪器和方法 仪器:山东鲁南 SP6890气相色谱仪 ,N2000色谱工作站(浙江大学智达信息工程有限公司). 分析条件:色谱柱 , GDX-102;载气 ,H2 ;柱前压,0.15MPa;汽化室温度 ,120 ℃;柱室温度 ,180 ℃;检测室温度 ,120 ℃. 定量方法:采用校正面积归一法. 2 结果和讨论 2.1 能耗的确定 间歇精馏过程的能耗是指得到单位产品需向塔釜提供的能量.它与向塔釜提供的能量、收率以及过渡馏份量（100 ×过渡馏份质量 /进料质量 ,下同）和浓度等有关.能耗 =220 ×0.6 ×精馏时间 / （进料异丙醇质量 ×收率）.异丙醇收率 = （产品馏份中异丙醇质量 /进料异丙醇质量）×{bfb}. 2.2 二元恒沸精馏 2.2.1 固定回流比操作 固定回流比对精馏的影响结果见图 2～5.由图2～5可知:随着回流比的增加,产品馏份中异丙醇的浓度增加,收率增加,精馏时间增加,过渡馏份量减小,其异丙醇浓度增加,一批精馏的能耗增加.虽然在低回流比下一批精馏的能耗较低,但过渡馏份量大,其浓度低,且产品馏份中异丙醇浓度也较低,不利于后面的三元恒沸精馏.对该体系的二元恒沸精馏,本文在高浓度、高收率的前提下,降低精馏时间来降低能耗.当回流比增至 4时,产品馏份浓度较高,收率接近{zd0},过渡馏份量接近最小.为了降低精馏时间,选择较适宜的回流比为 4.此时,产品馏份中异丙醇质量分数为 86.27%,收率为 94.8%,精馏时间为150min,过渡馏份中异丙醇质量分数为 29.32%,过渡馏份量为 5.97%,能耗为每克异丙醇 12.29 kJ.
2.2.2 塔顶累积操作 塔顶累积操作主要有全回流累积和动态累积.全回流累积是在塔顶设置存液量与产品总量相当的存料罐（称累积罐）,一次操作开始后 ,轻组分在累积罐内浓缩 ,组成或温度达到预定值后结束操作.动态累积是以全回流累积为基础的全回流浓缩———放料 ———无回流充液的多次循环.塔顶累积操作可克服塔内的“飞轮效应 ”,因此 ,具有分离效率高、精馏时间短、易于操作以及抗扰动性强等优点.由于全回流累积操作是一次全回流稳定后即得到馏出液 ,而动态累积则是多次全回流稳定得到馏出液的累积量 ,两者在分离效果方面的差异类似平衡蒸馏和简单蒸馏.因此 ,动态累积分离效率更高. 由表 1可知:对于含 34%异丙醇水溶液的分离 ,动态累积操作在产品馏份中异丙醇浓度和收率同全回流累积相差不大 ,精馏时间低 17.6%,过渡馏份量少 ,浓度稍高.产品馏份中异丙醇浓度和收率相差不大 ,主要是由于原料中异丙醇浓度较高 ,二元恒沸物与水的沸点相差较大 ,且要求分离程度不是很高.全回流累积精馏时间长的原因是全回流累积罐中的返混大于动态累积 ,使得稳定时间变长. 同固定回流比（R =4）相比,动态累积精馏在产品馏份浓度、收率、过渡馏份量和浓度方面相差不大 ,但精馏时间降低 53.3%,能耗降低 53.5%.由图6可知 ,两种操作方式下产品馏份浓度相当 ,但动态累积操作时间短 ,塔釜浓度下降快;馏出过渡馏份时 ,塔顶和塔釜浓度变化相当. 因此 ,对于异丙醇水溶液的二元间歇恒沸精馏 ,采用动态累积操作对降低能耗更为适宜. 2.3 三元恒沸精馏 从异丙醇水溶液中回收异丙醇的三元恒沸间歇精馏过程包括恒沸出水过程、环己烷 2异丙醇回收过程以及产品（异丙醇质量分数大于 99.0% ）收集过程.操作方式和异丙醇用量是主要影响因素. 2.3.1 固定回流比操作 对于固定回流比操作 ,郭和刚等以环己烷为恒沸剂对过程进行了优化 ,但未对能耗进行研究.由于填料的结构、尺寸以及填料层高度等参数不xx相同 ,同时也为了和其他操作方式进行比较 ,本文在大回流比下进行了实验 ,结果见表 2.
2.3.0 全回流操作 环己烷用量对全回流操作结果影响较大,其用量大,出水时间短,环己烷与异丙醇形成二元恒沸物量增加,回收时间长且异丙醇收率低.反之, 其用量小,出水时间长,回收时间短,异丙醇收率高.为寻求适宜的环己烷用量,本文研究了环己烷用量对异丙醇浓度和收率、精馏时间、过渡馏份量和浓度以及能耗的影响,结果见图 7～10.由图 7～10可以看出,随着环己烷用量的降低,产品异丙醇质量分数均大于 99.0%,收率和精馏时间增加,过渡馏份量减少,其浓度增加,能耗降低.当环己烷质量分数为 3.23%时,塔顶得不到三元非均相恒沸物.因此,较优的环己烷质量分数为 4.76%.同固定回流比操作相比,异丙醇浓度相当,异丙醇收率由39.3%提高至 72.7%,精馏时间降低 16.3%,能耗降低 54.7%.
在三元非均相恒沸精馏中 ,由于三元和二元恒沸物的沸点差较小 ,仅为 4.6 ℃. 因此 ,精馏时间较长 ,难以显著降低.为降低能耗 ,可以采取提高异丙醇收率的方法.采用全回流操作 ,降低了脱水过程中异丙醇的带出量.另外 ,在出水结束后采用了塔顶累积精馏技术来克服“飞轮效应 ”,异丙醇收率由39.3%提高至 72.7%.但异丙醇收率的提高仍存在较大的空间. 在适宜的全回流操作中 ,由于环己烷的加入量较少 ,仅为 4.76%,可全部分布在精馏塔内 ,出水结束后不用馏出塔身中的过渡馏份,直接更换塔釜 ,即可在塔釜得到异丙醇 ,同时可进行下一批操作 ,这种操作称双塔釜交替式操作 .它可跳过馏出塔身中过渡馏份的操作 ,不用克服“飞轮效应 ”.因此 ,可提高异丙醇收率. 由表 3可知 ,精馏时间比全回流略低 ,而异丙醇收率可提高至 84.2%,全程收率达90%以上.同固定回流比、全回流操作相比 ,能耗分别降低 63.4%和 19.1%.因此 ,异丙醇水溶液的三元恒沸精馏 ,宜采用双塔釜交替式操作.
3 结 论
1 ）对含 34%异丙醇水溶液的二元恒沸精馏 ,宜采用动态累积操作. 同固定回流比（R =4）操作相比 ,产品馏份浓度、异丙醇收率以及过渡馏份量和浓度相差不大 ,能耗可降低 53.5%. 2 )对三元恒沸精馏 ,宜采用双塔釜交替式操作.同固定回流比、全回流操作相比 ,异丙醇收率分别由 39.3%和 72.7%提高至 84.2%,能耗分别降低63.4%和 19.1%. |
