18.2 工艺概述
1.工艺背景
无水乙醇作为一种重要的基本有机化工原料,广泛应用于油漆、染料、制药、医用、化妆品、橡胶、电子制造业等领域。通常以玉米、甘薯、秸秆等生物质为原料,经过发酵、蒸馏、废液处理三个工段生产乙醇。乙醇和水形成最低恒沸物,因此通过常规精馏方法只能获得95%的乙醇,无法获得无水乙醇。工业生产中无水乙醇可以通过恒沸蒸馏、萃取精馏、离子交换和分子筛吸附等方法获得,但是大部分方法都具有一定的缺陷。苯恒沸蒸馏法虽然适用于大规模生产,但恒沸蒸馏塔所需的塔板数较多,含苯产品不能用作医药和化学试剂,而且生产过程容易发生苯中毒。戊烷作恒沸剂的恒沸蒸馏法虽然避免了上述缺点,但是戊烷的沸点低(36.1℃),常温下容易汽化,需要加压操作,因此溶剂损耗较大。离子交换法和分子筛吸附法虽然得到产品的质量较好,但仅适合小批量生产,而且树脂和分子筛的再生困难、耗电量大、效率低。相较于以上工业生产方法,乙二醇法萃取精馏制无水乙醇克服了许多工艺的不足之处,可以任意比例和规模来制无水乙醇,且产品质量高,适用于大规模生产。另外,乙二醇沸点高,不易挥发,损耗少,因此这是非常理想的工艺。
2.工艺原理
萃取精馏法是工业上广泛应用的一种特殊分离方法,主要用于分离普通精馏难以处理的含络合物、热敏物质、恒沸组成及相对挥发度接近1的互溶物系。其基本原理是向精馏塔中引入一种或两种可以与待分离混合物相溶的溶剂,增加待分离组分间的相对挥发度,以达到分离沸点相近组分的目的。萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高很多,且不与各组分形成恒沸液。
萃取精馏法的操作条件是比较复杂的,萃取剂的用量、料液比例、进料位置、塔的高度等都会产生影响。可通过实验或计算得到最佳值。选萃取剂的原则如下:①选择性要高;②用量要少;③挥发度要小;④容易回收;⑤价格便宜。
乙醇-水二元体系能够形成恒沸物(常压下恒沸物中乙醇的质量分数为93.57%,恒沸点为78.15℃),用普通的精馏方法难以完全分离。本工艺以乙二醇为萃取剂,利用萃取精馏法分离乙醇-水二元混合物来制无水乙醇。
根据化工热力学研究,当压力较低时,原溶液中组分1(轻组分)和2(重组分)的相对挥发度可表示为
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在加入萃取剂S后,组分1和2的相对挥发度则为
式中
为三元混合物泡点下组分1和2的饱和蒸汽压之比。
(α12)S/α12表示萃取剂S的选择性,因此,萃取剂的选择性是指其改变原有组分间相对挥发度的能力。(α12)S/α12越大,选择性越好。
3.工艺流程
本装置包含粗乙醇精制工段和萃取精馏工段,其中粗乙醇精制工段是将质量分数较低的粗乙醇经过填料精馏塔得到95%的乙醇溶液和含有少量乙醇的废水溶液。塔顶采用风冷式冷凝器,冷凝液经回流泵回流和采出,由转子流量计调节回流比。塔釜溶液达到溢流液位后由蠕动泵输送,经过列管换热器与进料溶液换热后,再经过塔釜风冷器降温后进入废水罐。
萃取精馏工段包括萃取精馏塔和溶剂回收塔。萃取精馏塔以粗乙醇精制工段所得95%的乙醇为原料、乙二醇为萃取剂,设有溶剂进料口和原料进料口。塔顶冷凝液经分析合格(乙醇含量大于99%)后进入产品罐,若不合格,则经采出管旁路重新回到95%的乙醇罐。塔釜溶液溢流后进入溶剂-水罐。溶剂回收塔以萃取精馏塔塔釜溶液为原料,塔顶得到乙醇-水溶液,塔釜得到纯度较高的乙二醇溶液。实验过程中分别对塔顶和塔釜产品进行检测,塔顶产品不能含有乙二醇,塔釜溶液不能含有乙醇,若不合格,则全部回流至溶剂-水罐,之后重新进料。实验所得无水乙醇和废水可由磁力泵输送至设备前端的粗乙醇罐,再次配料后开始下一组实验。待设备运行稳定后,可实现原料和萃取剂的持续循环使用。