分批间歇萃取精馏技术的进展

-囵置圃 2003年第17卷第6期 科技进展(Advances Science&Technology) 分批间歇萃取精馏技术的进展 肖 文 李中柱 卢 勇 (中石化长炼石化公司，湖南岳阳，414012) 摘要 对分批问歇萃取精馏技术和进展进行了评述，从分批问歇萃取精馏的操作方式、操作可行性、操作优化等几方 面介绍了分批问歇萃取精馏的研究情况，指出存在问题和发展方向。 关键词 分批问歇精馏 萃取精馏 萃取精馏是通过向精馏系统中加入适当的质量 分离剂(MsA)，来显著增大相对挥发度很小或者易形 成共沸物的混合物组分之间的相对挥发度，使分离易 于进行，从而获得产品的一种特殊精馏技术。Berg[Ij 于 1985年提出将在化工行业已经广泛应用的连续萃 取精馏改 为采用间歇方式操作。间歇萃取精馏 (BED)结合了间歇精馏与萃取精馏的诸多优点，如， 设备简单，投资小；可用于同一塔分离多组分混合物 成几个不同馏分；适用性强，所处理物料组成可频繁 改动；通过选取适宜萃取剂，可应用于化工、制药等行 业中采用普遍精馏无法完成的共沸物系及相对挥发 度极小的物系分离 ，且较恒沸精馏过程简单。 Ⅱ 间歇萃取精馏的操作方式 根据萃取剂的加入方式，间歇萃取精馏可分为： 一 次加入方式和连续加入方式[ 、3]。 1．1 一次加入方式 如图 1所示，萃取剂是一次性加入装有物料的重 沸器中，然后按间歇精馏操作。Mil [ ]采用一次加 入方式，以水一丙酮一甲醇体系，证明该操作是可行 的。但由于萃取剂一般采用高沸点物质，完全残存于 重沸器中，故仅在重沸器中发挥其改变组分相对挥发 度的作用，对物系分离效果较差，且随组分馏出，塔釜 液组成改变，必须选取适宜的萃取剂比，才能获得较 高的经济性和可行性，因此对一次加入方式的研究 较少 。 1．2 连续加入方式 如图2所示，萃取剂从塔顶或塔的某几块塔板处 连续加入，将塔分为萃取段和精馏段，萃取剂在加入 塔板处以下每层塔板上均起到萃取作用。 一 36 一 萃取剂 E 物 料 +^B 图 1 一次加入方式 B E D 精馏段 ， ． 萃取剂E 1． 萃取段 物 料 +^B B 图 2 连续加入方式 B E D 为了减少萃取剂用量及操作可行， m【 ]提出 连续加入方式分 4步操作：①无萃取剂加入下的全 回流操作；②连续加入萃取剂下的全回流操作，分离 混合物系，提纯精馏段产品；③连续加入萃取剂下的 部分回流操作，分离出产品；④无萃取剂加入下的精 馏操作，分离萃取剂。由于萃取剂加入及回流比的改 变，使得操作参数中重沸器热负荷发生改变，操作困 难，易于发生液泛等不稳定操作，这是采用连续加入 方式的难点，因此要对其进行操作可行性研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 科技进展(Advances Science&Technology) 2003年第17卷第6期I冒目囝■ 间歇萃取精馏的操作可行性 间歇萃取精馏的操作可行性是指在间歇萃取精 馏过程中，通过加入萃取剂能使给定组成的混合物料 分离获得特定组成的馏分，使其能够在精馏段获得分 离。如果对间歇萃取精馏，这种状态是瞬时存在的， 且能在操作过程中保证这种状态存在，则认为这种操 作方式是可行的。通过对间歇萃取精馏的操作可行 性分析，可以得到间歇萃取精馏的重要 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及操作参 数，如理论塔板数，萃取剂加入量，回流比等。 由于间歇萃取精馏结合了间歇精馏和萃取精馏 两方面的特点，因此对其操作的可行性分析也是从这 两方面开始的。Bernot[ J】在研究多组分间歇精馏 时，利用三元共沸相图及釜液线，定义了间歇精馏分 离共沸物系的界限及可行的精馏区，同时还研究了同 系的萃取剂分离共沸物系的情况，但是他没有涉及萃 取剂的连续加入对分离过程的影响。Wahnschafft-8、9 则对连续萃取精馏的操作可行性进行了深入的研究， 采用连续萃取精馏的方法，考察了萃取剂的连续加 入、恒定回流比等参数对萃取精馏的影响。在间歇萃 取精馏过程中，因为萃取剂的连续加入，釜液及塔板 持液组成随时问变化，采用连续萃取精馏的可行性方 法仅对某组成在某时刻是有效的，不能应用于整个过 程。 Sa t【1o]在两者的基础上进行研究，在对连续加 入方式操作的间歇萃取精馏的萃取精馏段物料衡算 时，发现所有的操作线均交于夹紧点△，如图 3过该 点做持液线的切线，定义切点的连线为夹紧点线，线 上个点均为夹紧点△，在夹紧点线与三角形边界限定 出了操作的不可行区域。 图 3 B E D的可行性区域与不可行性区x ⋯"Safrit[s~]) Bemot[ 】研究发现对于每条持液线直到接近三角 形边界均沿着初始釜液组成 呈一条直线，据此可 在三元相图上划出间歇精馏区。如图 4为三元混合 物的釜液线和精馏区，通过讨论发现如果在间歇萃取 精馏操作起始阶段就马上开始连续加入萃取剂，不能 起到分离共沸物系的作用，故在连续加入方式的间歇 萃取精馏操作上的第一步必须采用不加萃取剂的全 回流操作。 E A 图4 三元混合物分离的釜液线和精馏区 klkes[¨】认为在第二步引入萃取剂分离共沸物 系，提纯组分，是影响操作可行性的关键。通过该步 骤下的萃取线及持液线，能够确定间歇萃取精馏的可 行性、最小萃取剂用量、产品顺序。如图5可知，要使 间歇萃取精馏操作可行，必须要求在萃取段有可行的 萃取线能连接到可行的精馏线。如果萃取剂量小于 最小值，萃取段稳定点 SN便落在三角形内部，而使 间歇萃取精馏过程变为不可行。操作稳定点 SN的 位置也决定 了产品顺序，落在 AE边上则先出产品 A，落在 BE边上则先出产品 B。 图 5 可行的萃取操作线(Lelkes【l¨) K~pp[ 】在对恒定 回流比条件下的间歇萃取精 馏操作的研究中发现，在部分回流条件下鞍点 S2将 萃取三角形图分成 4个部分。如图6所示。在区域 I、Ⅱ中，可行的萃取线能够到达 AE边，如果釜液组 成落在该区域，利用间歇萃取精馏分离是可行的；如 果在Ⅲ、Ⅳ区域，萃取线只能达到 BE边，不能到达 AE边，釜液组成落在该区域，利用间歇萃取精馏分离 一 37 — 维普资讯 http://www.cqvip.com _雹置皿 2003年第17卷第6期 科技进展(Advances Science&Technology) 是不可行的。 可以对比 Samt【13]方法，如图7中，区域 m 在可 行区，区域 FR1、rR2落在△夹紧点线与三角形的不可 行区域，但根据 Knapp[ 】的研究，区域 IR是不可行 的，而 FRl、FR2落在区域 I、Ⅱ确是可行的。Lang-3 也证实了在釜液 FR2区分离的可行性。 B 图6 B E D的可行性区域与不可行性区域(Ir舢pp[也】) B SN 图7 Sail-it[10]与 Kanpp[也】B E D的可行性理论的比较 间歇萃取精馏的操作优化 ^ 问歇萃取精馏研究的另一个重要方面是操作优 化。衡量操作优化的标准主要从产品质量、操作时 间、利润 3个方面考虑。 MujtabaE 】提出评估的目标函数； C(t)=(Pl+△ Pl+△ Pl( ． ^))· 一^ P2· sF— P3‘t 式中 ：PI≥0 SDA≥SD ．^ mi Xa ． ^≥ Xa ．^ ．mi SF≤ SF t≤ tmax Pl为纯度为 -^'mi 的产品价格；△Pl为纯度超 过 -^_mi 的产品差价；P2为处理萃取剂的费用；P3为 热负荷费用。当 C(t)出现最大值时，应停止操作。 klI【e8[1 】研究认为在操作中采用保持产品浓度 的方法控制回流比，具有强于恒定回流比操作的经济 利润，但是这样会导致塔板持液量不断下降而需控制 在一最小值之上，综合恒定产品浓度与恒定回流比方 法能获得更大利润。但恒定回流比方法易于实现。 一 38 一 ■ 壁垦星堡 间歇萃取精馏的操作特点导致其在操作控制上 更加复杂，主要有以下几个方面的突出问题： (1)间歇萃取精馏操作中，重沸器中萃取剂比率 不断增加，若要保持一定的上升蒸气量，就必须改变 所需的热负荷。对连续加入的操作方式，还要考虑萃 取剂的流率。在操作优化中，萃取剂的用量与热负荷 是必须考虑的两个变量，而使操作优化问题变得更加 复杂。 (2)采用问歇萃取精馏操作方式操作时，釜液及 塔板持液浓度不断改变，组分间的相对挥发度也随时 问改变，同时又有萃取剂的引入，而使数学模型的建 立面临很多困难，影响其进一步的研究。在其过程机 理方面还有许多工作要做。 (3)从操作优化利润方面考虑，回流比、萃取剂 流率等都应该随时问改变，才能获得更大的利润。同 时，连续加入方式的萃取剂在重沸器的累积，会造成 重沸器设计、操作困难。因此，在操作方式上还需要 做更多工作。 总之，目前虽然问歇萃取精馏还有许多急需解决 的问题，但由于其突出的优点，使其在制药、溶剂提纯 等有广泛的应用前景。因此，有必要加深认识，深化 研究其过程机理和实际应用，使问歇萃取精馏在工业 上得到广泛应用。 参考文献 【1] BergL，An—IYeh．AICHE】，1985，31(3)：504—506 [2] Mujtaba I M，Macchietto S．Comput Che=Eag，1993，17(12)：1 191—1 2o7 [3] hllg P，YatimH，Moe=kowfic=P，OtterbeinM．~mputchemEng，1994， 18(11／12)：1 057一1 069 [4] 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天然高分子阻垢剂【 】 主要物质 机理或组成 应 用 木质素 无定型的芳香族化合物 有极强的活性 指一类含有许多羧基而 可在金属表面形成单宁 干 聚合度不同的物质 酸铁保护膜，有阻垢效果 腐殖 复杂高分子羧酸盐混合 可抑制 C 晶体 的生 酸钠 物 长发育 基团中氧原子上的未共 的 是臆 嚣 妻 羧基和苯环 金属螯合物，从而具有阻 垢性能 对 caco,的无机性特点 壳聚糖 喜 嘉 <9．8也有阻垢能力。 羧 甲 基 淀 粉、羧 甲 基 阻垢分散剂 纤维素 (CMC) ～ ” [10] S~a'it B T，w嘣erberg A W，Diwekar U，Wahmehafft O M．1nd Eng them Ree，1995。34(1O)：3 257—3 264 [11] lae,lk~，z，L,mg P，Moazkoviez P，Benadda B，Otterbein M．Chem Eng Sci，1998，s3(7)：1 131一l 348 [12] Knapp J P，Dohe~,yM F．AJChEJ，1994，4o(t)~243—251 [13] Safrit B T，W~ rbm A W．Ind Eng Chum Ree，1997，36(2)：436— 443 (收稿 日期 2003—03—19) Advances in Batch Extractive Distillation Process Xiao n Li Zhongzhu Lu Yong (Chang,ling Petrochemical Company，Hunan YueYang 414012) Abstract A overview is presented of the technology and the progress in batch extractive distillation(BED)process and the researching of BED through process，feasibility and optimi zation，etc．is suⅡ幽 ized．And the dissdvantage and the development direction in the future are suggested． Key words batch distillation extractive distillation i_r～ 一 39 — 维普资讯 http://www.cqvip.com