CN102500121A - 一种分离苯和环己烷共沸混合物装置及其分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置及其分离方法，装置包括：精馏塔、溶剂回收塔、中间储罐、转子流量计、冷凝器、回流比控制器、再沸比控制器、填料、热电偶、高位槽、保温岩棉、溶剂回收釜、电加热套、产品收集罐、U型管压差计等。该方法：未加溶剂下的全回流操作；加溶剂下的全回流操作；有溶剂加入的恒定回流比下的产品采出和溶剂回收；无溶剂加入的恒定回流比下的溶剂回收操作。本发明适用于任意比例混合的苯—环己烷混合物，可以同时收集轻组分产品和溶剂回收；操作方便，易于控制，操作时间相对较少，能量消耗降低；分离效果较好，实现了溶剂的循环利用，具有很好的经济性，并有利于环保。

Description

一种分离苯和环己烷共沸混合物装置及其分离方法

技术领域

本发明涉及一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置及其分离方法，特别是涉及一种分离苯和环己烷共沸混合物的复合式间歇萃取精馏装置和方法，具体说是采用间歇精馏体系和溶剂回收体系同步进行的间歇萃取精馏分离苯—环己烷共沸物系的方法。

背景技术

间歇萃取精馏是一个新兴的研究课题, 它同时具备间歇精馏的灵活性、经济性和萃取精馏的实用性, 适用于化工、制药、石油深加工等行业中普通精馏无法完成的物系分离, 兼有学术研究和实际应用价值。间歇萃取精馏是通过一次性加入原料，然后从塔顶某处连续加入适当流量的溶剂，增大被分离组分间的相对挥发度，从而达到轻重组分间有效分离的目的。与连续萃取精馏相比，间歇萃取精馏有投资少，操作灵活，可用相对连续精馏的尽量少的塔设备分离多组分混合物为多个产品等诸多优点，而且，现在化学工业开始向生产小批量高附加值的产品转化，越来越受到研究人员的关注。

1985 年, Berg 首先提出了间歇萃取精馏操作方式, 近年来人们对其可行性进行了大量而深入的研究。其主要操作步骤为：（1）无萃取剂全回流阶段；（2）连续加入萃取剂条件下的全回流阶段；（3）连续加入萃取剂条件下以一定回流比采出产品阶段；（4）无萃取剂加入的溶剂回收阶段。 然而，在这种操作方式下，随着溶剂的不断加入，塔釜的的积液会越来越多，对塔釜的容积要求较强。另一方面，间歇萃取精馏操作中还会遇到的萃取剂在塔釜累积造成热负荷大、操作及设计困难等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分离苯和环己烷共沸混合物的复合式间歇萃取精馏装置和方法，采用中间储罐的间歇萃取精馏装置分离苯和环己烷体系，轻组分环己烷通过精馏塔塔顶冷凝后采出，重组分在中间储罐中获得，而溶剂在塔底获得，从而明显减少了塔釜的容积和热负荷。收集的较高的溶剂可以作为下一批分离苯和环己烷原料的萃取剂，达到了溶剂的有效利用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其所述装置包括：精馏塔、溶剂回收塔即提馏段、中间储罐、转子流量计、冷凝器、回流比控制器、再沸比控制器、填料、热电偶、高位槽、保温岩棉、溶剂回收釜即再沸器、电加热套、产品收集罐、阀门、U型管压差计，本装置利用中间储罐进料控制活塞杆来控制进入提馏段的混合溶液流量，提馏段顶部出的气体馏分通过导管进入中间储罐，精馏塔塔顶处连接有冷凝器，高位槽通过转子流量计与精馏塔塔身相连，并通过阀门控制溶液开关；中间储罐和再沸器中插有热电偶；提馏段顶部安装有中间贮罐进料控制活塞杆；再沸器顶部装有再沸比控制器。

所述的一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其所述的高位槽液体通过转子流量计控制流速；产品流出量是通过回流比控制器控制；通过再沸比控制器来控制溶剂采出；待分离原料最初先一次性加入到中间贮罐中，中间贮罐向提馏段的进料也由电磁继电器控制，通过操纵一个回流比控制器来控制管线上的活塞拉杆阀门，从而方便地调节其流率。

所述的一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其中间储罐体积为500 mL，内装电磁搅拌转子，保证中间储罐内物料浓度保持均匀；再沸器体积为500 mL，用电加热套加热；复合式间歇萃取精馏塔分为三段，溶剂进料口上部为精馏段，溶剂进料口与中间储罐之间为萃取段，再沸器上部为提馏段；三个填料塔段外面均装有镀膜加热的玻璃套管，对塔身进行保温。

所述的一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其所述的复合式间歇萃取精馏装置的提馏段的直径和长分别为38 mm和 800 mm的玻璃管，填料高度为500 mm；萃取段的直径和长分别为38 mm和 1000 mm的玻璃管，填料高度为800 mm；内装都为φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料；精馏段为直径和长分别为38mm和300 mm的玻璃管，内装φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料，填料段高度为200 mm。

一种分离苯和环己烷共沸混合物的分离方法，其所述的分离方法包括以下步骤：

1）将苯和环己烷原料一次性的加入到所述的中间储罐中，打开电源，开启中间储罐电磁控制阀向提馏段中进料；当再沸器的液位达到规定值100ml时，给再沸器的电加热套电压，开始加热；

2）无溶剂全回流；给精馏塔的镀膜加热保温套管电压，保证物料在精馏过程中不至于过冷而成内回流，打开冷却水，准备冷凝物料,待有回流出现时，维持全回流，塔顶温度基本稳定在共沸温度；此时注意再沸器的液面，应使它维持在安全液位；

3）有连续溶剂加入全回流；无溶剂全回流后，开始加萃取剂，再全回流；

4）有连续溶剂加入的塔顶出料；有连续溶剂加入全回流，当塔顶温度稳定后，打开塔顶回流比控制器后出料；维持再沸器的液面保持液位；

5）有连续溶剂加入的塔顶出料，塔底出料。当塔底溶剂的浓度达到纯度后，打开塔底的再沸比控制器，按比例采出溶剂；在此阶段塔顶仍以回流比采出物料，当塔顶馏分中易挥发组分的浓度低于规定值时，更换接收瓶，接收过渡段馏分；

6）无溶剂加入的塔顶出料，塔底出料；当塔顶馏分易挥发浓度下降，停止加溶剂，取瞬时样并更换接收瓶；隔时间取瞬时样，并进行色谱分析；当难挥发组分的浓度达到规定的浓度时，更换接收瓶；

7）当中间罐中难挥发组分的浓度很高或其中的物料量很少时，即可停车；关掉与中间储罐相连的电磁阀，停止向提馏段加料，关闭塔顶的回流比控制器及塔底的再沸比控制器；关闭再沸器的加热装置，关闭塔的保温装置；然后当塔顶没有回流时，停冷却水；再沸器中收集的以溶剂为主的溶液可以作为下一批苯—环己烷混合物分离的萃取剂。

本发明具有几个重要特点：

（1）塔顶环己烷高摩尔含量时间区段与塔底几乎不含被分离二元混合物系成分的时间区段有部分重合，这说明，对于带有中间贮罐塔的混合溶剂间歇萃取精馏分离工艺而言，它具有在塔顶采出产品同时在塔底采出混合溶剂的特点，只是混合溶剂的采出在时间上要滞后于产品的采出。

（2）带有中间贮罐的间歇萃取精馏的操作时间会比常规的间歇萃取精馏的操作时间要短；此外，因为要萃取精馏的物料存在于中间贮罐，且溶剂在萃取精馏过程中不断被采出，所以精馏过程中，再沸器中的物料体积就比常规的间歇萃取精馏小，因此，相对常规萃取精馏，带有中间贮罐塔的间歇萃取精馏不需要太大体积的再沸器，尤其适合于溶剂比较大的分离过程。

（3）塔顶产品采出时间方面，复合式间歇萃取精馏的有效产品采出时间比常规间歇萃取精馏的多出一倍。一般情况下，操作时间要比常规的间歇萃取精馏的操作时间要短，这样节约了大量能量消耗；而且获得的产品纯度也比常规的高。

（4）复合式间歇萃取精馏可以同时获得轻组分产品、重组分产品和纯度高的溶剂，获得的较高纯度的混合溶剂完全可以直接作为本次或下一批次的苯和环己烷混合物分离的萃取剂。

（5）要想进一步提高产品纯度，有效方法是在复合式间歇萃取精馏的基础上改进溶剂和采用减压条件下操作。

本发明的优点与效果是：

（1）中间贮罐不仅减小了塔釜的容积还使塔底出料成为可能。中间贮罐连接着上、下塔段，起着存储物料的作用。它的存在是解决常规间歇萃取精馏对塔釜容积限制的关键；另外，它也使原料中的轻组分从塔顶蒸出的同时。

（2）中间贮罐液位的控制中间贮罐的液位不宜过高，由于连通器的原理及虹吸原理，液位过高可能导致液体从蒸汽通道的小孔进入塔内，使电磁铁控制进料流量不准确。造成塔釜液位快速上升，导致塔操作不稳定。

（3）中间贮罐的保温措施，如果中间贮罐暴露于空气中，则对于下段塔相当于增加了一个大的冷凝器。蒸汽经过时，将被冷凝而回流。用保温岩棉保温，同时在底部入一个电磁加热炉，以补充散热损失的能耗。但不可以使其温度过高，以至中间罐内液体沸腾，造成上、下塔段蒸汽量不同。

（4）在间歇萃取精馏过程中，可以将中间贮罐看作整个塔的一个进料点，它的存在使该间歇塔具备了连续塔的某些特征；近似于在一定的时间段里向塔内连续进固定组成的原料，轻组分经精馏段在塔顶提纯，重组分经提馏段在塔底浓缩。  

本发明提供的采用复合式间歇萃取精馏新方法相比之前的间歇萃取精馏操作方法有明显的优点。中间贮罐不仅减小了塔釜的容积还使塔底出料成为可能。中间贮罐连接着上、下塔段，起着存储物料的作用。另外，它也使原料中的轻组分从塔顶蒸出的同时，重组分经提馏段提浓后，在塔底浓缩，达到一定纯度后，由再沸比控制器以一定速率采出。这种上下同时出料的功能大大缩短了过程的操作时间，节约了能耗。

附图说明

     图1为本发明的实验装置示意图。

具体实施方式

下面参照附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明装置为自行设计的带有中间储罐的间歇萃取精馏系统，设备主要有中间储罐、精馏段、萃取段、提馏段、冷凝器、产品收集罐、电加热套以及各种配套设施构成。

图1中：1—冷凝器； 2，5，9，24—测温口； 3—精馏段； 6—萃取段； 4，7，20—镀膜电加热玻璃套管； 8—中间贮罐加料口； 10—中间贮罐； 11—磁力搅拌器； 12 回流比控制器； 13，17，22—电磁线圈； 14—溶剂高位槽； 15—转子流量计； 16—产品收集罐； 18—中间贮罐进料控制活塞杆； 19—提馏段； 21—再沸比控制器； 23—下接收器； 25—再沸器； 26—电加热套； 27—U型管压差计。

 装置具体说明：

（1）中间储罐的容积为500mL，溶剂回釜为500mL，都采用电加热套加热，内部装有热电偶和电磁搅拌转子。

（2）提馏段的直径和长分别为38 mm和 800 mm的玻璃管，填料高度为500mm；萃取段的直径和长分别为38 mm和 1000 mm的玻璃管，填料高度为800mm；内装都为φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料；精馏段为直径和长分别为38mm和300 mm的玻璃管，内装φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料，填料段高度为200 mm。

（3）回流比控制器来调节塔顶馏出物的采出。中间储罐控制活塞杆控制中间储罐流入提馏段的流率，通过再沸比控制器控制溶剂采出。

（4）冷凝器使用了循环水冷却，中间储罐用保温棉保温，同时在底部有一个电磁加热炉，以补充散热损失的能耗。

本发明供分离苯和环己烷共沸混合物的方法包括如下步骤：

1）将苯和环己烷原料一次性的加入到所述的中间储罐中，打开电源，开启中间储罐电磁控制阀向提馏段中进料。当再沸器的液位达到规定值100ml时，给再沸器的电加热套电压，开始加热。

2）无溶剂全回流。给精馏塔的镀膜加热保温套管电压，保证物料在精馏过程中不至于过冷而成内回流。打开冷却水，准备冷凝物料。待有回流出现时，维持全回流，塔顶温度基本稳定在共沸温度。此时注意再沸器的液面，使它维持在安全液位。

3）有连续溶剂加入全回流。无溶剂全回流后，开始加萃取剂，再全回流。

4）有连续溶剂加入的塔顶出料。有连续溶剂加入全回流，当塔顶温度稳定后，打开塔顶回流比控制器后以回流比出料。维持再沸器的液面液位。

5）有连续溶剂加入的塔顶出料，塔底出料。当塔底溶剂的浓度达到要求的纯度后，打开塔底的再沸比控制器，按比例采出溶剂。在此阶段塔顶仍以回流比采出物料，当塔顶馏分中易挥发组分的浓度低于规定值时，更换接收瓶，接收过渡段馏分。

6）无溶剂加入塔顶出料，塔底出料。当塔顶馏分易挥发浓度下降，停止加溶剂，取瞬时样并更换接收瓶。隔时间取一次瞬时样，并进行色谱分析。当难挥发组分的浓度达到要求的浓度时，更换接收瓶。

7）当中间罐中难挥发组分的浓度很高或其中的物料量很少时，即可停车。关掉与中间储罐相连的电磁阀，停止向提馏段加料，关闭塔顶的回流比控制器及塔底的再沸比控制器；关闭再沸器的加热装置，关闭塔的保温装置；然后当塔顶没有回流时，停冷却水；再沸器中收集的以溶剂为主的溶液可以作为下一批苯—环己烷混合物分离的萃取剂。

实施例：

选用苯—环己烷二元共沸混合物为实验研究物系，分别以DMF（N,N二甲基甲酰胺）与DMSO（二甲基亚砜）构成的摩尔比为1的混合溶剂于常压下分离苯和环己烷二元近沸点混合物1000ml,其中混合物中环己烷的摩尔百分数为47.64％。提馏段的直径和长分别为38 mm和 800 mm的玻璃管，填料高度为500mm；萃取段的直径和长分别为38 mm和 1000 mm的玻璃管，填料高度为800mm；内装都为φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料；精馏段为直径和长分别为38mm和300 mm的玻璃管，内装φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料，填料段高度为200 mm。

本发明方法结果分析以及相比于传统方法的优越性分析如下：

1）塔顶采出产品的浓度

溶剂流率15ml/min，操作回流比为2，再沸比为3。常压操作条件下，有连续溶剂加入全回流结束时，以回流比为2开始采出产品，这时产品摩尔浓度达到85.0%左右，平均摩尔浓度为可达到84%。说明采用此种方法能达到较好的产品纯度。而同样操作条件下，常规间歇萃取精馏时的塔顶产品纯度最高纯度也能达到83.9%，但是纯度随采出时间变化明显，而且符合标准的产品采出时间约为复合式的一半，从而轻组分环己烷的回收率明显的不如复合式的好。

2）中间储罐中组分浓度

在中间贮罐中，轻组分环己烷的摩尔含量呈不断下降趋势；重组分苯的摩尔含量则是由于混合溶剂的加入稀释，呈现出先降低，然后随着塔顶回流液的加入逐渐升高，最终可以达到85%左右；而混合溶剂的摩尔含量先是随着溶剂在塔顶的不断加入不断升高，在整个精馏过程后期，由于停加溶剂而逐渐下降。    

3）再沸器中溶剂的浓度

在再沸器中，环己烷的摩尔含量较快的降低；而苯的摩尔含量先是由于中间贮罐中苯的摩尔含量不断的提高而不断升高，然后随着分离的进行很快下降；混合溶剂的摩尔含量则是不断升高，直到达到很高的纯度，之后趋于平缓，最终混合溶剂的含量可达到98%以上。

Claims (5)

1.一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其特征在于，所述装置包括：精馏塔、溶剂回收塔即提馏段、中间储罐、转子流量计、冷凝器、回流比控制器、再沸比控制器、填料、热电偶、高位槽、保温岩棉、溶剂回收釜即再沸器、电加热套、产品收集罐、阀门、U型管压差计，本装置利用中间储罐进料控制活塞杆来控制进入提馏段的混合溶液流量，提馏段顶部出的气体馏分通过导管进入中间储罐，精馏塔塔顶处连接有冷凝器，高位槽通过转子流量计与精馏塔塔身相连，并通过阀门控制溶液开关；中间储罐和再沸器中插有热电偶；提馏段顶部安装有中间贮罐进料控制活塞杆；再沸器顶部装有再沸比控制器。

2.根据权利要求1所述的一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其特征在于，所述的高位槽液体通过转子流量计控制流速；产品流出量是通过回流比控制器控制；通过再沸比控制器来控制溶剂采出；待分离原料最初先一次性加入到中间贮罐中，中间贮罐向提馏段的进料也由电磁继电器控制，通过操纵一个回流比控制器来控制管线上的活塞拉杆阀门，从而方便地调节其流率。

3.根据权利要求2所述的一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其特征在于，中间储罐体积为500 mL，内装电磁搅拌转子，保证中间储罐内物料浓度保持均匀；再沸器体积为500 mL，用电加热套加热；复合式间歇萃取精馏塔分为三段，溶剂进料口上部为精馏段，溶剂进料口与中间储罐之间为萃取段，再沸器上部为提馏段；三个填料塔段外面均装有镀膜加热的玻璃套管，对塔身进行保温。

4.根据权利要求3所述的一种分离苯和环己烷共沸混合物的装置，其特征在于，所述的复合式间歇萃取精馏装置的提馏段的直径和长分别为38 mm和 800 mm的玻璃管，填料高度为500 mm；萃取段的直径和长分别为38 mm和 1000 mm的玻璃管，填料高度为800 mm；内装都为φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料；精馏段为直径和长分别为38mm和300 mm的玻璃管，内装φ2.5*2.5的不锈钢DIXON填料，填料段高度为200 mm。

5.一种分离苯和环己烷共沸混合物的分离方法，其特征在于，所述的分离方法包括以下步骤：

1）将苯和环己烷原料一次性的加入到所述的中间储罐中，打开电源，开启中间储罐电磁控制阀向提馏段中进料；当再沸器的液位达到规定值100ml时，给再沸器的电加热套电压，开始加热；

2）无溶剂全回流；给精馏塔的镀膜加热保温套管电压，保证物料在精馏过程中不至于过冷而成内回流，打开冷却水，准备冷凝物料,待有回流出现时，维持全回流，塔顶温度基本稳定在共沸温度；此时注意再沸器的液面，应使它维持在安全液位；

3）有连续溶剂加入全回流；无溶剂全回流后，开始加萃取剂，再全回流；

4）有连续溶剂加入的塔顶出料；有连续溶剂加入全回流，当塔顶温度稳定后，打开塔顶回流比控制器后出料；维持再沸器的液面保持液位；

5）有连续溶剂加入的塔顶出料，塔底出料；当塔底溶剂的浓度达到纯度后，打开塔底的再沸比控制器，按比例采出溶剂；在此阶段塔顶仍以回流比采出物料，当塔顶馏分中易挥发组分的浓度低于规定值时，更换接收瓶，接收过渡段馏分；

6）无溶剂加入的塔顶出料，塔底出料；当塔顶馏分易挥发浓度下降，停止加溶剂，取瞬时样并更换接收瓶；隔时间取瞬时样，并进行色谱分析；当难挥发组分的浓度达到规定的浓度时，更换接收瓶；

7）当中间罐中难挥发组分的浓度很高或其中的物料量很少时，即可停车；关掉与中间储罐相连的电磁阀，停止向提馏段加料，关闭塔顶的回流比控制器及塔底的再沸比控制器；关闭再沸器的加热装置，关闭塔的保温装置；然后当塔顶没有回流时，停冷却水；再沸器中收集的以溶剂为主的溶液可以作为下一批苯—环己烷混合物分离的萃取剂。

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