间歇恒沸精馏法分离异丙醇水溶液的过程研究

1、摘 要：采用单塔间歇恒沸精馏法，选择环己烷作为恒沸剂，分离异丙醇和水。应用ChemCAD5.2化工模拟软件中的CC-BATCH间歇精馏模块对间歇恒沸精 馏工艺过程进行了模拟计算，并应用最优模拟条件来指导实验，得到了环己烷- 异丙醇-水三元体系的最优操作条件：进料质量比m （环己烷）/ m （异丙醇）/ m（水）=0.428/ 0.5/ 0.07 , 回流比19 ,汽化量0.3kg/ h , 塔板数7。采用环 己烷-异丙醇-水三元非均相恒沸精馏脱水法将异丙醇与水分离，从含水12.6 %左右的异丙醇溶液可制得含水小于 0.3 %的异丙醇产品，异丙醇单程质量收率 可达61.1 % 。异丙醇作为一种优

2、良的溶剂，在实验室和工业上都有广泛的用途。因此，经常需 要从异丙醇水溶液中回收异丙醇。例如，奈普生原药生产过程中就有一定数量的 含水为12.6 %的异丙醇水溶液需要脱水,要求异丙醇中水含量小于0.5 %。 HPLC高效液相色谱）流动相中也要大量使用异丙醇（IPA）,其在使用后转化成 HPLC流动相废液。对其进行回收利用，既可以作为生产其它高附加值化工产品 的优质原料，又可以消除对环境的污染。本文对正己烷-异丙醇-水及少量磷酸的溶液进行分离。该溶液经过预处理再行精 馏,分离效果较好。预处理过程主要包括以中和、除杂为辅的化学过程和萃取为 主的物理过程。首先少量磷酸通过加碱中和 ，然后用水萃取，体系

3、分为油相（主 要含正己烷）和水相（主要含异丙醇和水）两相，对两相分别进行分离提纯。油相 通过精馏,就能得到满足纯度要求的目标产物之一的正己烷。水相经过简单精馏 可得异丙醇和水的共沸物。由于异丙醇和水形成共沸物（见表1）,因此不能用一 般的蒸馏法制得无水异丙醇。目前，制无水异丙醇最具工业意义的是三元非均相 恒沸精馏脱水法。表L异内執水的湍点及阳讳点搬沸组成IhHc Vcotropir tkihi for The oTcni io|ro|i9 12.6 %时，可 先进行不加恒沸剂的自夹带非均相二元恒沸精馏,塔顶得到的含水12.6 %的二元恒沸物，再经三元恒沸精馏,即可得合格产品。笔者认为对于处理量

4、不大的场 合，宜采用单塔间歇恒沸精馏操作。2 实验操作条件的确定2.1 模拟流程操作条件的优化计算2.1.1 操作阶段的确定根据工艺要求将整个分离过程切分成三个阶段： 三元物系同时馏出阶段； 异丙醇-环己烷馏出阶段； 产品出料阶段（收集纯度 99 %的异丙醇）2.1.2 恒沸剂用量的确定对于本文所采用的单塔间歇恒沸精馏塔，恒沸剂用量的计算较复杂，不仅因为是间歇精馏,而且馏出物依次为异丙醇-水-环己烷三元非均相恒沸物，异丙醇- 环己烷二元恒沸物等。为此，我们通过模拟对恒沸剂的用量进行确定。在确定并 优化精馏塔操作参数之前，首先要确定进料中环己烷与异丙醇-水共沸物的比值,使得有足够量的环己烷能挟带

5、走几乎全部的水分。先加入过量的环己烷确保产品纯度，然后递减模拟，直到找出最小环己烷需要量，因为环己烷带走水的 同时也要带走部分异丙醇，加入量过多，则会影响产品的收率。由图1和图2 可得出环己烷质量分率为0.428时能兼顾纯度和收率,故确定之。图I环己烷如入気対异丙醇纯度的影舸Ufect ofnc tftnknt nil purity of isrrpropn no)图2环dOi入量对异丙轴攻率影眉Rig. 2 IIFmt of cyelrihexrt tie contetit oti ykld cl2.1.3 理论板数的确定用ChemCA系统软件模拟异丙醇-环己烷-水三元共沸物,确定其最佳质量

6、比为 m （环己烷）/ m（异丙醇）/ m （水）=0.428: 0.5 : 0 .072 ,进行模拟实验,固定参数回流比R = 19 ,汽化量为0.3kg/ h。模拟过程中,在理论板小于4时, 不收敛；在47收敛；在大于7以后模拟体系又不收敛,显示空塔板。根据工 艺要求将整个分离过程分割成三个阶段，模拟起来比较特殊，所以软件能得到满意收敛的板数比较局限，即4、5、6、7,而且实际上分离任务本来也不需 要太多板数。由过程模拟可得，塔板数为N =6或7 ,就可达到实验要求的效果, 故确定较佳的理论板数为7 。2.1.4 汽化量的确定用ChemCA系统软件模拟异丙醇-环己烷-水三元共沸物,由2.1

7、.2 中确定的 最佳比m （环己烷）/ m （异丙醇）/ m （水）=0.428: 0.5 : 0.072 ,进行模拟实验,固定参数回流比R = 19 ,塔板数N =6。将0.3kg/ h确定为初始汽化 量,然后固定其他操作条件，将汽化量减小或增大，寻找异丙醇质量分率 99 %的收率的最大值,结果如图3所示。当汽化量即质量流率为0.29 0.35kg/ h时收敛，且汽化量在0.3kg/ h时异丙醇单程收率取得最大值 0.78 f the top of to wr塔顶谓分谛分切 割温度；匸共沸物 沸点f匸环已烷异丙均和）62. 1-64, 364. 3环己烷异 丙醇（均相）64,36S. 66S

8、, 6环己烷水（非均相68巾69.06S, 9异丙宰水用和町3也3异丙 gj 99 %)69-0-82 582- 5异丙醇(刃9 nd 99. 5 %)SO. 382. 5S2. 5异丙醇羽9上）82. SS2. 5232各操作参数对产品纯度和收率的影响根据模拟所得最优操作参数为指导，在一定的范围内，改变恒沸剂环己烷的用 量、回流比等参数，进行了实验。2.3.2.1 恒沸剂的影响以回流比R = 19 ,汽化量约为0.3kg/ h ,改变恒沸剂的加入量,进行实验。其 结果如图5和表4所示。LOOO0.9980.99669940,9920.9900.9880.400 0.410 0.420 0+4

9、30 0,440 0.450环已烷的质滋分牢5环己烷加入呈对异丙尊纯度的影嘀1*电.5 LHcct of d oIkxhdc con tent ori purity 减 iwrrdjHnol表4恒沸刑加入爼成盯严J M率和纯度彫响Til bit 4 Ufcct of cyclohexane c0- 99）Cl 52350.4010.0755b 98920. 5C780. 4.190.07320.99420,如20.49990.42S0. 10.99690.6 tO0.旳旳0. 4S40.07140. 60000. 49330. 4360,0711a 57：o0. 4S940.4400.07 丽

10、 760.57340.47980.4510.06920.9978a S20Q从图5可以看出，环己烷质量分率越大，异丙醇纯度越高。虽然环己烷是作为 挟带剂除去水分的，但同时也会同异丙醇形成二元共沸物，故它对产品的纯度和 收率都有较大的影响，由表4可见，环己烷质量分率增大时，异丙醇收率先增 加，后减小。而在0.428左右时，达到最大值。可见，实验结果与模拟结果是一致的2.3.2.2 汽化量的影响 为了进一步获取该塔的相对最优的操作汽速，以模拟实验所得的数据为参考，以 组成m （环己烷）/ m （异丙醇）/ m （水）=0.428 : 0.5 : 0.072进料,固定 回流比R = 19 ,调整操作

11、汽速的大小进行实验研究，考察了它对收率的影响。实验证明：在汽化量为0.3kg/ h时，此塔的板效率达到最大值。在实验范围内, 汽化量对异丙醇纯度和收率影响不是很大。同样可得实验结果和模拟结果是一致 的。232.3 回流比的影响 回流比的控制是精馏最重要的操作条件之一，回流比R太小，则分离效率低；回 流比R太大，则耗时耗能，单位时间的效率不高。本文以模拟的最优参数为参考,固定组成m （环己烷）/ m （异丙醇）/m （水）=0.428: 0.5 : 0.072进料,汽化量为0.3kg/h,改变回流比R对产品纯度和收率的影响如图6和图7所示。?a隆石 冋流比R炖异向轉纯度的彩晌6 LTfeet n

12、f The reflux mlio on purity of isopropiniil101520回流比左25 M汕605040302010O图7回流比丘对异丙醉收率的影痢I璋 7 HfctT frf rhe reflux mi yield of如图6所示,回流比R 7时,异丙醇质量百分含量大于99 % 又如图7所示，异丙醇收率随回流比R的增大而增大。这是因为随着回流比的 增大,分离效率提高的缘故。在 R = 19时，异丙醇的单程收率达到61.1 % , 并且R 19后异丙醇单程收率的增幅减缓,趋于稳定。所以,最优的操作回流 比R为19。由模拟数据图4和实验数据图7相比较，可以看出它们的趋势是

13、 一致的，其不同之处在于模拟图有两个阶跃突变点，原因在于模拟的模型与真 实情况的差异引起的。实验表明 , 对纯度和收率影响的因素是比较多的 , 综合起来 , 回流比、恒沸剂的 加入量等都是重要的影响因素。通过实验分析可得该塔的最优操作条件 : 汽化量 0.3kg/ h左右,回流比R = 19 ,原料中恒沸剂环己烷质量分率控制在0.428左右。3 结论实践证明 , 模拟结果与实验结果具有较好的一致性 , ChemCAD 化工模拟系统中 的CC BATCH可歇精馏模型,能方便快捷地应用于间歇精馏塔的设计和操作条 件的模拟计算及分析 , 可以节约成本 , 同时也可以大大的缩短相应工艺的开发周 期。过程模拟与实验相结合为工艺开发提供了一种新型的开发方式 , 且在较短时间 内找出的最优操作条件 , 对生产和实验均有积极的参考意义。本文应用此种工艺 开发方式 , 对异丙醇水溶液进行过程模拟得到最优操作条件为 :环己烷-异丙醇- 水三元体系的进料