CN113941173A - 一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法 - Google Patents

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张伦祥
赵佳飞
董宏生
王天
杨磊
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孙翔
李洋辉
陈聪
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Abstract

本发明公开了一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，属于分离科学与技术领域。该方法通过水合物生成分解，能够在零度以上至25摄氏度之间实现液相有机混合物的各组分分离，以水作为唯一试剂，无需其他化学试剂的使用，能够同时得到纯净的液相有机混合物各组分，相比较于其他只能得到一种较纯净组分的分离方法，分离更高效；传统方法对于沸点相近的有机混合物体系需要极高的能耗或者化学试剂添加才能实现分离提纯，该方法仅仅利用各组分是否能够在操作条件下生成水合物这一特性实现液相有机混合物分离，因此，对于沸点相近的液相有机混合物更具有优势。

Description

一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法
技术领域
本发明属于分离科学与技术领域，涉及一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法。
背景技术
化工生产中涉及的原料及产品通常是由多个组分组成的混合物，为了进一步加工利用，需要把混合物分离成比较纯净的物质。对于液相有机混合物，目前最常用的分离方法是精馏法、衍生法和结晶法。精馏法是利用各组分的沸点不同从而实现有机混合物的分离。然而，如果液相有机混合物中的各组分沸点相近，其需要的塔板数将非常大，并且回流比要求十分高，使得分离过程所需的能量输入较大，增加了分离成本。衍生法是将待分离有机混合物与某种物质进行化学反应，生成沸点相差较大的衍生异构体，再通过精馏、还原的方法实现分离，存在过程复杂、产品收率低等问题。结晶法是将液相有机混合物降低至一定温度使熔点较高的物质先结晶分离出来，主要的问题是分离过程需要的低温条件使得能耗巨大。同时，其他方法也存在各自的缺点。
水合物是一种水与其他小分子客体形成的非化学计量性笼状晶体物质，又称为笼型水合物。水分子通过氢键相连形成一些多面体笼子，尺寸合适的客体分子可被固定在其中，形成固体水合物使其具有热力学稳定性，但是当环境条件发生微小的改变之后，水合物又可重新分解为水和客体分子。环戊烷、一氟二氯乙烷等有机物可以在较温和的条件下和水生成水合物，并且该过程可逆可控，使得水合物具有应用于液相有机混合物分离的潜能。
发明内容
本发明提供了一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，实现含环戊烷、一氟二氯乙烷等液相有机混合物的有效分离。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，包括以下步骤：
(1)分析待分离液相有机混合物组分，确定其中所包含的有机物种类及比例，得到该液相有机混合物由质量分数x％的A和y％的B组成，其中组分A能够和水生成水合物；
(2)将液相有机混合物装入反应器中，根据组分A的水合物生成反应式，按照组分A和水的摩尔比以及组分A的含量，计算需要的水量为m，向反应器中加入1.5m的水，使得液相有机混合物中的组分A能够完全生成固体水合物；
(3)将反应器置于零度以上和常压下水合物相平衡温度以下的温度范围内，记为T，利用机械搅拌或磁力搅拌等充分搅拌反应器内的物质，搅拌速率控制在200r/min-1000r/min；
(4)利用温度传感器实时监测反应器内的温度变化，温度传感器顶端没入液相有机混合物中，由于水合物生成是放热反应会导致反应器内温度上升，直至反应器内温度上升后又降低至T并保持不变4小时以上，则水合物完全生成；
(5)在温度为T的环境中，将步骤(4)所得物质进行固液分离，所得固体为组分A的水合物，所得液体为组分B和未反应的水；
(6)将步骤(5)所得的组分A的水合物在常压下置于水合物相平衡温度和 25摄氏度之间的某一温度条件下，使水合物分解为组分A和水，将该液体和步骤(5)所得液体分别利用分液法进行分离，得到纯净的组分A、组分B和水； (7)将步骤(6)所产生的水用于步骤(2)，循环使用，将步骤(6)所得组分A和组分B分别装入储罐，并取样分析其纯度。
所述液相有机混合物中各组分均和水不互溶；
所述液相有机混合物中必须包含一种能够和水生成固体水合物的物质，如环戊烷、一氟二氯乙烷、新戊烷中的一种或二种以后混合。
所述的固液分离方法包括真空抽滤，加压过滤，离心分离，挤压分离中的一种或几种。
本发明能够在零度以上至25摄氏度之间实现液相有机混合物的各组分分离，所需制冷或加热的能耗极低；该方法以水作为唯一试剂，无需其他化学试剂的使用，经济环保，可循环利用；该方法仅通过水合物生成和分解两个主要过程即可实现有机混合物分离，操作过程简便易行；该方法能够同时得到纯净的液相有机混合物各组分，相比较于其他方法只能得到一种较纯净组分，分离更高效；传统方法对于沸点相近的有机混合物体系需要极高的能耗或者化学试剂添加才能实现分离提纯，该方法仅仅利用各组分是否能够在操作条件下生成水合物这一特性实现液相有机混合物分离，因此，对于沸点相近的液相有机混合物更具有优势。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
以下技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：以环戊烷和苯的液相有机混合物为例
(1)利用气相色谱-质谱联用分析环戊烷和苯液相有机混合物，确定其中所包含的有机物种类及比例，得到该液相有机混合物由质量分数40％的环戊烷和 60％的苯组成，其中组分环戊烷可以和水生成水合物；
(2)将100g的环戊烷和苯的液相有机混合物装入反应器中，因此加入反应器的环戊烷为40g(0.57摩尔)，1摩尔环戊烷可以和17摩尔水生成环戊烷水合物，因此理论需水量为174.42g(9.69摩尔)，向反应器中加入261.63g的水，使得液相有机混合物中的环戊烷能够完全生成固体水合物；
(3)常压下环戊烷水合物的相平衡温度为7摄氏度，将反应器置于温度为 4摄氏度的环境中，利用机械搅拌充分搅拌反应器内的物质，搅拌速率设置为 500r/min；
(4)利用温度传感器实时监测反应器内的温度变化，温度传感器顶端没入液相有机混合物中，由于环戊烷水合物生成是放热反应会导致反应器内温度上升，直至反应器内温度先上升至7摄氏度，然后又逐步降低至4摄氏度并保持6 小时不变，则环戊烷水合物完全生成；
(5)在温度为4摄氏度的环境中，将步骤(4)所得物质进行抽滤，所得固体为环戊烷水合物，所得液体为苯和未反应的水；
(6)将步骤(5)所得的环戊烷水合物在常压下20摄氏度分解为环戊烷和水，将该液体和步骤(5)所得液体分别利用分液法进行分离，得到纯净的环戊烷、苯和水；
(7)将步骤(6)所产生的水用于步骤(2)，循环使用，将步骤(6)所得环戊烷和苯分别装入储罐，并取样分析其纯度，环戊烷纯度可达90％，苯的纯度可达到95％。
实施例2：以环戊烷和新己烷的液相有机混合物为例
(1)利用气相色谱-质谱联用分析环戊烷和新己烷液相有机混合物，确定其中所包含的有机物种类及比例，得到该液相有机混合物由质量分数85％的环戊烷和15％的新己烷组成，其中组分环戊烷可以和水生成水合物；组分新己烷在常压下不可生成水合物；
(2)将环戊烷和新己烷的液相有机混合物装入反应器中，因此加入反应器的环戊烷为7.5g(0.17摩尔)，1摩尔环戊烷可以和17摩尔水生成环戊烷水合物，因此理论需水量为32.7g(1.82摩尔)，向反应器中加入49.05g的水，使得液相有机混合物中的环戊烷能够完全生成固体水合物；
(3)常压下环戊烷水合物的相平衡温度为7摄氏度，将反应器置于温度为 2摄氏度的环境中，利用磁力搅拌充分搅拌反应器内的物质，搅拌速率设置为 500r/min；
(4)利用温度传感器实时监测反应器内的温度变化，温度传感器顶端没入液相有机混合物中，由于环戊烷水合物生成是放热反应会导致反应器内温度上升，直至反应器内温度先上升至7摄氏度，然后又逐步降低至2摄氏度并保持6 小时不变，则环戊烷水合物完全生成；
(5)在温度为2摄氏度的环境中，将步骤(4)所得物质进行抽滤，所得固体为环戊烷水合物，所得液体为新己烷和未反应的水；
(6)将步骤(5)所得的环戊烷水合物在常压下20摄氏度分解为环戊烷和水，将该液体和步骤(5)所得液体分别利用分液法进行分离，得到纯净的环戊烷、新己烷和水；
(7)将步骤(6)所产生的水用于步骤(2)，循环使用，将步骤(6)所得环戊烷和新己烷分别装入储罐，并取样分析其纯度，环戊烷的纯度可达99％。

Claims (6)

1.一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，其特征包括以下步骤：
(1)分析待分离液相有机混合物组分，确定其中所包含的有机物种类及比例，得到该液相有机混合物由质量分数x％的A和y％的B组成，其中组分A能够和水生成水合物；
(2)将液相有机混合物装入反应器中，根据组分A的水合物生成反应式，按照组分A和水的摩尔比以及组分A的含量，计算需要的水量为m，向反应器中加入1.5m的水，使得液相有机混合物中的组分A能够完全生成固体水合物；
(3)将反应器置于零度以上和常压下水合物相平衡温度以下的温度范围内，记为T，利用机械搅拌或磁力搅拌等充分搅拌反应器内的物质，搅拌速率控制在200r/min-1000r/min；
(4)利用温度传感器实时监测反应器内的温度变化，温度传感器顶端没入液相有机混合物中，由于水合物生成是放热反应会导致反应器内温度上升，直至反应器内温度上升后又降低至T并保持不变4小时以上，则水合物完全生成；
(5)在温度为T的环境中，将步骤(4)所得物质进行固液分离，所得固体为组分A的水合物，所得液体为组分B和未反应的水；
(6)将步骤(5)所得的组分A的水合物在常压下置于水合物相平衡温度和25摄氏度之间的某一温度条件下，使水合物分解为组分A和水，将该液体和步骤(5)所得液体分别利用分液法进行分离，得到纯净的组分A、组分B和水；
(7)将步骤(6)所产生的水用于步骤(2)，循环使用，将步骤(6)所得组分A和组分B分别装入储罐，并取样分析其纯度。
2.根据权利要求1所述的一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，其特征在于，所述液相有机混合物中各组分均和水不互溶。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，其特征在于，所述液相有机混合物中必须包含一种能够和水生成固体水合物的物质。
4.根据权利要求3所述的一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，其特征在于，所述液相有机混合物是指环戊烷、一氟二氯乙烷、新戊烷中的一种或二种以上混合。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，其特征在于，所述的固液分离方法为真空抽滤、加压过滤、离心分离、挤压分离。
6.根据权利要求3所述的一种利用水合物相变的液相有机混合物分离方法，其特征在于，所述的固液分离方法为真空抽滤、加压过滤、离心分离、挤压分离。
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