共沸精馏技术研究及应用进展

第20卷第1期2011年3月矿冶MINING＆METALLURGYVol.20，No.1March2011文章编号:1005－7854(2011)01－0047－03共沸精馏技术研究及应用进展王春蓉(辽宁石油化工大学，辽宁抚顺113001)摘要:本文综述了共沸精馏的特点、分类及共沸剂的选择。根据所形成的共沸物能否分离为不互溶的两个液相，共沸精馏分为均相共沸精馏和非均相共沸精馏。介绍了近些年共沸精馏技术的应用研究进展，并提出了非均相共沸精馏技术的优势及展望。关键词:共沸精馏;共沸剂;分离;非均相共沸精馏中图分类号:TQ028.1+3文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1005－7854.2011.01.011PROGRESSONTHEAPPLICATIONANDRESERACHOFAZEOTROPICDISTILLATIONTECHNOLOGYWANGChun-rong(LiaoningShihuaUniversity，Fushun113001，Liaoning，China)ABSTRACT:Thispapersummarizedthecharacteristicsofazeotropicdistillation，classificationandtheselectionofentrainer．Azeotropicdistillationisdividedintohomogeneousandheterogeneousazeotropicdistillation，accordingtotheazeotropicmixturecanbeseparatedintotwoimmiscibleliquid．Recentprogressinapplicationandreserachofa-zeotropicdistillationtechnologyareintroduced，theadvantagesandprospectintechnologyofheteorgeneousazeotrop-icdistillationarealsoputforward．KEYWORDS:azeotropicdistillation;entrainer;separation;heteorgeneousazeotropicdistillation收稿日期:2010－01－18作者简介:王春蓉，硕士，讲师，研究方向:化工分离。共沸精馏是分离液体混合物的一种方法，广泛应用于化工、炼油等工业中。当待分离的两个组分为共沸溶液体系或它们的挥发度非常接近时，采用普通精馏方法难以达到分离目的或所需要的理论板数非常多，且回流比亦较大，使设备费用和操作费用过大而不经济〔1〕，此时可采用共沸精馏。共沸精馏是向共沸溶液中加入第三组分，使该组分能与原有溶液中的一个或多个组分形成共沸物，且这种新共沸物的挥发度显著地高于或低于原有各组分的挥发度，则新共沸物中各组分的含量与原料液组成不同，可采用普通精馏方法予以分离。本文综述了共沸精馏的特点、分类及共沸剂的选择，介绍了共沸精馏技术的应用，展望了共沸精馏的发展方向。1共沸精馏1.1共沸精馏的特点(1)共沸精馏所用的共沸剂必须与待分离组分的一个或两个形成共沸物，因此可供选择的共沸剂有限。(2)共沸精馏的共沸剂大都从塔顶蒸出，消耗热能较大，只有当共沸物中共沸剂的含量甚少，与共沸剂形成共沸物的组分在原料中含量也少时，共沸精馏的操作才比较经济。(3)共沸精馏即可用于连续操作也可用于间歇操作。(4)在同样压力下操作，共沸精馏的操作温度较低，比其它精馏更适于分离热敏性物料〔2〕。1.2共沸精馏的分类根据所形成的共沸物能否分离为不互溶的两个液相，共沸精馏分为均相共沸精馏和非均相共沸精馏。1.2.1均相共沸精馏分离二元均相共沸物常用的方法是通过加入一种共沸剂，使其改变原混合物的性质，再进行三元物系的分离。当共沸剂与原溶液中某组分形成二元共沸物时，三元物系的泡点温度面上会出现脊(谷)，致使稳态精馏塔内浓度分布呈复杂状况，精馏产物的分布局限在某一浓度区域内而背离一般的精馏规律，称这种现象为精馏分区。共沸精馏分区特性将成为设计分离流程和确定精馏工艺条件时不可回避的问题。从精馏塔温度分布具有单调性的角度出发，人们曾一度认为泡点温度面上的脊和谷是精馏分区的边界，简单蒸馏的剩余曲线和连续精馏沿塔高的浓度分布曲线均不会通过脊(谷)。仅在近几年，一些研究者才在理解共沸精馏产物分区性质方面做一些工作，但还未见有关浓度分布通过脊(谷)的实验研究报道。1.2.2非均相共沸精馏非均相间歇共沸精馏是间歇精馏和共沸精馏的耦合过程，具有设备简单、可单塔分离多组分混合物和通用性强的优点。非均相共沸精馏由于在塔顶有富含共沸剂回流，可以降低回流比，共沸剂的用量远远小于萃取精馏，同时还可能完成在萃取精馏中不能完成的分离任务。非均相共沸精馏的主要设备是精馏塔、塔顶冷凝器和分相器。共沸物可以在分相器中分为两个不互溶的液层:富含共沸剂的液层回流;另一液层采出，从而以很经济的方式实现了共沸物的分离。与均相共沸精馏相比，非均相间歇共沸精馏在分相器中实现液液分层，可以减小共沸剂回收塔的工作，特殊情况下还可实现单塔操作。与连续非均相共沸精馏比较，它具有比较灵活的回流比操作策略，具有更大的操作弹性。但是，由于各参数随时间变化和液液平衡计算的困难，以及复杂的回流控制等多方面的原因，导致了设计、模拟和控制的难度，使该过程在被广泛应用的同时，人们对它的认识不如对共沸物精馏的均相过程〔3－4〕和连续过程〔5－6〕那么深入，相关的文献报道很少〔7〕。1.3共沸剂的选择共沸剂的选择对共沸精馏分离过程的效果影响极大〔8－9〕。选择共沸剂，首先要考虑共沸剂的选择性要大。此外，还应考虑以下几个方面:(1)共沸剂能显著影响待分离系统中关键组分的汽液平衡关系。(2)共沸剂至少与待分离系统中一个或两个(关键)组分形成两元或三元最低共沸物，而且希望此共沸物比待分离系统中各纯组分的沸点或原来的共沸点低10℃以上，否则难以实现精馏分离。(3)为使分离流程比较简单，共沸剂回收容易，选用能生成非均相共沸物的共沸剂。(4)在所形成的共沸物中，共沸剂的比例愈少愈好，汽化潜热愈多愈好。这样不仅可减少共沸剂用量，提高共沸剂效率;也可减少循环量，以降低蒸发所需的热量及冷凝所需冷却的量。(5)共沸剂易于回收利用。一方面希望形成非均相共沸物，可以减少分离共沸物的操作;另一方面，在溶剂回收塔中，应该与其它物料有相当大的挥发度差异。(6)共沸剂廉价、来源广、无毒性、热稳定性好和腐蚀性小等。2共沸精馏技术的应用研究脱除混合物中的水和回收苯酚供缩合反应循环使用，是双酚A生产工艺中非常重要的单元操作。由于苯酚和水能形成共沸物，因此不能用普通精馏方法将它们分离。刘金海〔10〕在苯酚－水物系中加入了一种共沸剂甲苯，用共沸精馏法实现了苯酚－水混合物的分离。分离后的水可以直接送到生化装置进行处理，苯酚回收供反应系统循环使用。崔艳萍〔11〕等用剩余曲线图(RCM)方法对丙酮－甲基异丙基酮(MIPK)－水三元非均相共沸物系进行分析，提出通过利用中间液－液分离器，在一个塔中实现丙酮、MIPK、水的分离。结合残余曲线、蒸馏边界线、精馏段和提馏段浓度轮廓线、中间液－液分离器相平衡线等曲线对提出的丙酮、MIPK、水三元物系非均相共沸精馏过程进行了详细的分析，对非均相共沸精馏过程的设计和操作都将会起到重要的作用。以MIPK生产中的分离过程为例，建立了节能型精馏流程，结果表明:该流程可以节省设备投资，简化操作，降低生产成本。岳国君〔12〕等以工业酒精为原料，采用间歇共沸精馏方法制取无水乙醇，考察了共沸剂类型、共沸剂用量、共沸精馏时间等因素对分离效果的影响。实验结果表明:采用环己烷作共沸剂，共沸剂的实际加入量与理论加入量之比约为1.23∶1和共沸精馏时间为135min左右时，制得的无水乙醇浓度(质量分率)可以达到99.88%。·84·矿冶屈文江〔13〕研究了以正己烷作为共沸剂，采用间歇共沸精馏法回收该厂生产废水中乙醇的过程，得到了该条件下间歇共沸精馏的流程，以及共沸剂正己烷与乙醇的最佳配比5(质量比)、回收水相中的共沸剂正己烷和原料乙醇时适宜的回流比为7～8等操作参数。实验结果证明，该方法可行并且是经济的。白鹏〔14〕等采用间歇共沸精馏方法分离正己烷和乙酸乙酯形成最低共沸物，丙酮为共沸剂，实验结果表明:丙酮和正己烷的质量比为1.15时，正己烷和乙酸乙酯的收率最高，分别达75.15%和73.89%。通过实验绘制正己烷－乙酸乙酯－丙酮三元物系的剩余曲线，确定了正己烷－乙酸乙酯共沸物系分离步骤:共沸精馏塔中馏出丙酮和正己烷的共沸物和高纯度的乙酸乙酯。魏奇业〔15〕等运用剩余曲线图(RCM)方法对异丙醇一步法甲基异丁基酮分离过程进行分析，提出利用非均相共沸精馏方法进行甲基异丁基酮合成液的分离。通过改变液－液分离器的操作条件，提高脱水效率;通过设置回收塔和回收塔中间液－液分离器，将异丙醇和水除去，并提高甲基异丁基酮收率。研究表明，该工艺流程结构简单，脱水效果好，设备投资低，甲基异丁基酮收率高。王吉红〔16〕等利用共沸精馏的方法，对比选择不同共沸剂进行高纯度吡啶回收的理论和实验研究，设计出合适的工艺流程和工艺条件，得到了满意的结果。并在实验数据的指导下设计建立了一套工业装置，得到了纯度大于99.5%的吡啶产品。实践证明，用共沸精馏的原理所设计的分离工艺对于处理一系列含水共沸物系是行之有效的。3结语综上所述，共沸精馏技术是一种分离工艺的重要手段，它可改变物系的相对挥发度，从而使物系达到分离的目的。特别是非均相间歇共沸精馏具有设备简单、共沸剂用量小、效率高、操作灵活等优点，它还可与传统分离过程相结合(如萃取精馏)，建立新的耦合过程强化分离效果。随着科学技术的进步，共沸精馏技术有望发挥更大的作用，特别是在制药溶剂回收和精细化工等方面有广泛的应用前景，但其过程机理和操作控制还有待于进一步深化研究。参考文献:〔1〕朱长乐.渗透汽化膜分离过程的研究和应用［J］.浙江化工，1997，28(1):32－34.〔2〕杨志才.化工生产中的间歇过程-原理、工艺及设备［M］.北京:化学工业出版社，2001:398－402.〔3〕BillingslyDS.Onthenumericalsolutionofproblemsinmlticomponentdistillationatthesteadystate11［J］.ACI-HE，1970，16(3):44－50.〔4〕KetchumRG.Acombinedrelaxation-Newtonmethodasseparationprocesses［J］.ChemEngSci，1979，34(6):387－395.〔5〕BlockU，HegenerB.Developmentandapplicationofasimulationmodelforthere-phasedistillation［J］.AICHE，1976，22(5):582－586.〔6〕OhanomahMO，ThompsonDW.Computationofmulti-componentphaseequilibria.p11:liquid-liquidandsolid-liq-uid.equilibria［J］.Coput.Chem.Eng.，1984，25(8):157－162.〔7〕GuffeyCG，WeheA-H.Calculationofmulticomponentliquid-liquidequilibriumwithrenon＇sandblack＇sandblack＇sactivityequations［J］.AICHE，1972，18(5):913－918.〔8〕刘光永.化工开发实验技术［M］.天津:天津大学出版社，1994:232-235.〔9〕隋振英，邹东雷.共沸精馏中共沸剂的选择［J］.化学工程，1996，54(3):27－30.〔10〕刘金海.苯酚一水混合物的共沸精