萃取精馏分离醋酸_水溶液溶剂研究进展及机理分析
萃取精馏法分离醋酸_水的研究
萃取精馏法分离醋酸_水的研究首先，我们来了解一下醋酸和水的性质。
醋酸（CH3COOH）和水（H2O）的沸点分别为118.1℃和100℃。
由于醋酸和水分子之间存在氢键的形成，所以它们的溶解度也比较高。
根据这些特性，我们可以使用乙酸乙酯（CH3COOCH2CH3）作为辅助溶剂来进行分离。
乙酸乙酯的沸点为77.1℃，与醋酸和水的沸点相差较大，因此适合用于分离。
实验步骤如下：1.准备实验器材和试剂：萃取精馏装置、醋酸、水、乙酸乙酯等。
2.将醋酸和水混合，并在磁力搅拌下充分溶解，得到一个醋酸浓度适中的混合液。
3.将混合液倒入萃取瓶中，加入适量的乙酸乙酯作为辅助溶剂。
4.装配好精馏装置，并进行加热。
由于醋酸和乙酸乙酯的沸点较低，所以可以通过加热沸腾的方式将它们分离出来。
5.开始加热，通过冷凝管冷却蒸汽进一步分离液体。
醋酸和乙酸乙酯的混合物沸点较低，它们蒸发出来的蒸汽会在冷凝管中冷却凝结为液体。
而水由于沸点较高，大部分会留在混合液中。
6.不断收集冷凝管中的液体，直到乙酸乙酯停止蒸发。
通过上述步骤，我们可以将醋酸和水进行有效分离。
在整个分离过程中，乙酸乙酯作为辅助溶剂起到了重要的作用。
由于乙酸乙酯与醋酸的亲合力较大，所以分离效果较好。
这种分离方法的优点是简单、高效，可以用于实验室的小规模分离。
但是需要注意的是，乙酸乙酯是挥发性较大的有机溶剂，对人体有一定的刺激性，应在通风良好的环境下进行操作，并注意防止火源等安全事故的发生。
在研究的过程中，我们还可以对分离后的纯醋酸和纯水进行进一步的化学和物理性质分析，以进一步了解这两种物质的特性和应用。
通过以上研究，我们可以进一步认识醋酸和水的相互作用以及利用萃取精馏法进行分离的原理和方法。
这有助于我们更好地理解化学反应和实践中的分离纯化过程，为实验和工业生产提供指导和参考。
醋酸萃取的实验报告
醋酸萃取的实验报告醋酸萃取的实验报告一、引言醋酸萃取是一种常见的分离和提取方法，广泛应用于化学、生物、食品等领域。
本实验旨在通过醋酸作为溶剂，对混合溶液中的某种有机物进行提取，探究醋酸萃取的原理和应用。
二、实验方法1. 实验仪器和试剂本次实验所需仪器有：容量瓶、滴定管、漏斗等；试剂有：醋酸、水、某种有机物混合溶液。
2. 实验步骤(1) 预处理：将混合溶液倒入容量瓶中，加入适量的水，使溶液浓度适中。
(2) 萃取：取一定量的混合溶液，加入醋酸，摇匀。
(3) 分离：将醋酸溶液与水相分离，收集醋酸层。
三、实验结果与分析通过实验，我们得到了醋酸萃取后的醋酸层。
根据实验结果，我们可以对醋酸萃取的效果进行初步评估。
首先，我们可以通过观察醋酸层的颜色和透明度来判断有机物的提取情况。
如果醋酸层呈现混浊或颜色变化明显，说明有机物被成功提取。
其次，我们可以使用适当的分析方法，如红外光谱分析等，进一步确定醋酸萃取的效果和有机物的成分。
醋酸作为一种极性溶剂，具有良好的溶解性和提取能力。
其分子结构中的羧基和甲基提供了与有机物相互作用的机会，从而实现了有效的分离。
醋酸萃取在实际应用中具有广泛的用途，例如在食品工业中用于提取香料和色素，或者在制药工业中用于提取药物成分等。
四、实验优化与改进在实验过程中，我们可以通过一些优化和改进来提高醋酸萃取的效果。
首先，可以调整醋酸的浓度和用量，以适应不同有机物的特性和溶解度。
其次，可以改变醋酸与水相的比例，以提高醋酸层的纯度和提取率。
此外，还可以尝试使用其他溶剂或添加剂，以进一步改善醋酸萃取的效果。
五、实验应用醋酸萃取作为一种简单、有效的分离和提取方法，在许多领域都有广泛的应用。
在化学领域，醋酸萃取可用于分离和提取有机物，帮助进行化学分析和合成。
在生物领域，醋酸萃取可用于提取生物活性物质，如植物提取物中的天然产物。
在食品工业中，醋酸萃取可用于提取香料和色素，以改善食品的味道和色彩。
六、结论通过本次实验，我们初步了解了醋酸萃取的原理和应用。
萃取精馏分离醋酸_水体系的模拟计算及实验研究_樊冬娌_曹宇锋
（ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｎ ｄ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｔ ｏ ｎ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ ａ ｎ ｔ ｏ ｎ ２ ６ ０ １ ９， ｈ ｉ ｎ ａ） Ｓ ｏ Ｃ ａ Ｃ Ｅ Ｎ Ｕ Ｊ Ｎ ２ Ｃ ｙ ｇ ｇ， ｇ ｙ， ｇ ｇ ｆ
醋酸是一 种 重 要 的 化 工 原 料 。 在 工 业 生 产 中 ， 凡是涉及醋酸的过程 ， 如醋酸纤维素 、 醋酸烷基酯类 等生产过程都会产生含醋酸的废水 。 目前由于治理 技术不够完善或者 是 受 利 益 的 驱 使 ， 各生产厂家对 这些含醋酸的废水 处 理 不 彻 底 或 者 直 接 排 放 ， 这样 不仅造成了资源浪 费 ， 同时也给周围环境带来了严
： 。 ， 作者简介 ： 江苏南通人 ， 樊冬娌 （ 女， 博士 ， 讲师 ， 主要从事化工分离集成技术的研究 ， ９ ８ ０ ａ ｉ ｌ ｆ ｄ ｌ ｓ ｋ ｔ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ １ Ｅ－ｍ －） ＠ｎ ｙ ， ： ： ８ ５ ０ １ ２ ８ ５ ８ Ｅ－ｍ ｅ ｌ ０ ５ １ ３ ａ ｉ ｌ ｒ ｓ ｕ ｎ ｎ ｎ ｕ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 Ｔ － ＊ 联系人 ， ｊ
·３ ６ ０·
化 学 世 界
２ ０ １ ４年
Ｓ 度α 即， Ｓ １ １ １ ２ 与无溶剂时的相对挥发度α ２ 之比表示 ： ２ Ｓ ／ ， 此值越 大 说 明 溶 剂 对 组 分 的 选 择 性 越 ＝ １ α １ １ ２ α ２
１． ４ 数学模型 采用 平 衡 级 理 论 模 型 对 萃 取 精 馏 塔 进 行 计 算
环丁砜萃取精馏分离醋酸和水体系模拟和优化
醋酸含量/w t% 水含量/w t% 环丁砜含量/w t%
T1 塔顶
0
100
0
T1 塔底
34.8
1.9
63.3
T2 塔顶
93.5
6.5
0
T2 塔底
11.6
0
88.4
由表 2 可知袁虽然 T1 塔顶水含量为 100% 袁但 T2 塔顶醋酸含量为 93.5% 袁 塔底环 丁砜含 量为 88.4% 袁整个过程没有达到分离要求.因此袁为了提
本设计条件为院原料为 55%渊 质量分数袁下同冤 的醋酸水溶液袁进料流率为 5000kg/h袁萃取剂为环 丁砜袁原料液和萃取剂均为泡点进料袁两塔均在常 压下操作袁产品为冰醋酸袁要求纯度大于 99.5% . 2 设计与优化方法
本文设计的思路是先进行萃取精馏塔的模拟 和优化袁获取 T1 的最优操作参数袁再进行溶剂回收 塔的模拟和优化袁得到 T2 的最优操作参数袁最后在 两塔最优的条件下加上循环物流进行全流程运算. 由于萃取精馏塔有两股进料袁故不能用 A spen Plus
关键词院A spen Plus曰萃取精馏曰模拟曰设计 中图分类号院TQ 028 文献标识码院A 文章编号院1673-260X渊 2018冤 10-0036-04
工业生产中产生的低浓度醋酸水溶液较多袁而 醋酸又是重要的有机化工原料,那么从低浓度醋酸 水溶液中分离提纯出高浓度醋酸就具有较高的经 济价值.虽然醋酸和水不会形成恒沸物袁但是由于 二者的挥发度相近袁采用普通精馏工艺时袁能耗较 高袁故工业上较多地采用萃取精馏[1-3].本次萃取精
表 1 萃取精馏初始参数 塔板 原料液 萃取剂 回流 馏出 塔 数 进料板 进料板 比 比
萃取精馏分离醋酸_水体系的模拟计算及实验研究
萃取精馏分离醋酸_水体系的模拟计算及实验研究模拟计算在分离过程中起着重要的作用。
它可以通过模拟计算分析分离塔设备的结构和操作参数对分离效果的影响，优化分离过程，提高产品纯度和产能。
模拟计算可以利用平衡数据、物理化学性质和传质动力学数据等基本数据建立模型，通过求解该模型得到各组分在分离过程中的浓度分布、温度分布等重要参数。
常用的模拟计算软件有Aspen Plus、HYSYS 等。
在模拟计算中，需要将醋酸-水体系分为两个相，即醋酸富集相和醋酸稀释相。
首先确定该体系的物理化学性质参数，如醋酸和水的摩尔质量、密度、粘度、表面张力等。
其次根据摩尔分数计算出各组分的蒸气压，选取适当的化学平衡模型对相平衡进行计算。
可以采用等温闪蒸或者将该体系建模为一个摄动分离塔进行模拟计算，通过求解塔的平均物力和能力平衡，得到分离相的物相组成和温度分布。
另外，实验研究也是分离过程中不可或缺的一部分。
实验研究可以验证模拟计算结果的准确性，并提供更真实的数据用于模拟计算中的校正。
在实验中，可以通过探究醋酸-水混合物在不同温度下的平衡分离行为，测量醋酸富集相和醋酸稀释相的物相组成和温度等数据，并进行分析。
此外，可以模拟实际的分离工艺，搭建精馏塔设备并优化操作条件，进一步提高分离效果。
在工业应用方面，萃取精馏分离醋酸-水体系被广泛应用于醋酸生产中。
醋酸是一种重要的有机溶剂，广泛应用于化工、医药、食品等领域。
通过萃取精馏分离，可以获得高纯度的醋酸，并回收原料中的水，实现资源的循环利用。
同时，通过模拟计算和实验研究的指导，可以优化分离工艺，提高产品质量和产能，并减少能源消耗和废水排放。
综上所述，萃取精馏分离醋酸-水体系的模拟计算和实验研究方法在工业生产中具有重要的应用价值。
通过这些方法，可以优化分离工艺，提高产品质量和产能，实现资源的循环利用，对于醋酸生产和相关领域的发展具有重要的促进作用。
乙酸的萃取实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解并掌握萃取法的原理和应用。
2. 通过实验操作，学习使用萃取法从混合物中分离出乙酸。
3. 熟悉分液漏斗的使用方法，提高实验技能。
二、实验原理萃取法是一种利用物质在不同溶剂中的溶解度差异，通过混合、振荡、静置和分液等步骤，实现物质分离的方法。
在本实验中，乙酸作为待萃取物质，其溶解度在有机溶剂（如乙醚）中大于在水相中。
通过将含有乙酸的混合物与乙醚混合，乙酸会从水相转移到乙醚相，从而达到分离的目的。
三、实验仪器和药品仪器：- 分液漏斗- 铁架台- 量筒- 烧杯- 滴管药品：- 乙酸溶液（约1mol/L）- 乙醚- 水相四、实验步骤1. 准备实验材料：将分液漏斗、烧杯、量筒和滴管准备好，确保所有仪器清洁干燥。
2. 添加溶液：向分液漏斗中加入约20mL乙酸溶液，然后向其中加入10mL乙醚。
3. 混合振荡：将分液漏斗的玻璃塞塞紧，轻轻振荡混合液，使乙酸从水相转移到乙醚相。
重复振荡操作约5-10分钟，确保混合充分。
4. 静置分层：将振荡后的分液漏斗放置在铁架台上，静置约10分钟，使混合液分层。
5. 分液：调整分液漏斗的活塞，打开活塞下端管口，让乙醚相（上层）流入烧杯中。
注意保持水相（下层）在分液漏斗中。
6. 回收乙醚：将收集到的乙醚相倒入另一个烧杯中，用酒精灯加热烧杯，使乙醚蒸发。
待乙醚完全蒸发后，剩余的固体即为萃取出的乙酸。
五、实验现象1. 振荡混合液时，可以看到乙醚相和水相混合在一起，形成乳白色混合物。
2. 静置分层后，乙醚相（上层）和水相（下层）清晰可见，两者之间存在明显的界面。
3. 分液过程中，乙醚相（上层）流入烧杯中，水相（下层）留在分液漏斗中。
4. 回收乙醚后，烧杯中剩余的固体为乙酸。
六、实验结果与讨论1. 通过实验，成功从乙酸溶液中分离出乙酸。
2. 实验过程中，乙醚相和水相的分层现象明显，说明乙酸在乙醚中的溶解度大于在水中的溶解度。
3. 通过加热回收乙醚，可以得到纯净的乙酸固体。
萃取蒸馏乙酸实验报告
一、实验目的1. 掌握萃取和蒸馏的实验原理和操作方法。
2. 学习利用萃取和蒸馏技术分离混合物中的乙酸。
3. 熟悉实验仪器的使用，如分液漏斗、蒸馏烧瓶、冷凝管等。
二、实验原理萃取是一种利用不同物质在不同溶剂中的溶解度差异，将混合物中的某一组分从另一组分中分离出来的方法。
在本实验中，我们利用乙酸在不同溶剂（如水、有机溶剂）中的溶解度差异，通过萃取将其从混合物中分离出来。
蒸馏是一种利用混合物中各组分的沸点差异，通过加热蒸发和冷凝，将混合物中的组分分离出来的方法。
在本实验中，我们利用乙酸的沸点与水或有机溶剂的沸点差异，通过蒸馏将乙酸从混合物中分离出来。
三、实验器材和药品1. 实验器材：分液漏斗、蒸馏烧瓶、冷凝管、加热设备、量筒、锥形瓶、烧杯、铁架台等。
2. 药品：乙酸、水、有机溶剂（如乙醚、石油醚等）、饱和碳酸钠溶液、无水硫酸钠等。
四、实验步骤1. 萃取步骤1.1. 将含有乙酸的混合物倒入分液漏斗中。
1.2. 向分液漏斗中加入适量的有机溶剂，振荡混合。
1.3. 静置分层，有机层（含乙酸）在上层，水层在下层。
1.4. 打开分液漏斗下端的旋塞，将水层放出，收集有机层。
2. 蒸馏步骤2.1. 将收集到的有机层倒入蒸馏烧瓶中。
2.2. 加热蒸馏烧瓶，控制温度使乙酸蒸发。
2.3. 通过冷凝管冷凝乙酸蒸汽，收集冷凝液。
2.4. 将收集到的冷凝液转移至锥形瓶中，加入适量的无水硫酸钠，搅拌使其干燥。
2.5. 将干燥后的乙酸转移至烧杯中，加入适量的饱和碳酸钠溶液，中和过量的酸。
2.6. 再次加热蒸馏烧瓶，收集蒸馏出的乙酸。
五、实验现象1. 萃取过程中，有机层和水层分层明显，有机层颜色变浅。
2. 蒸馏过程中，乙酸蒸汽冷凝成液体，收集到的冷凝液为无色透明液体。
六、实验结论1. 通过萃取和蒸馏技术，成功将乙酸从混合物中分离出来。
2. 萃取和蒸馏是分离混合物中组分的重要方法，具有广泛的应用前景。
七、注意事项1. 实验过程中要注意安全，防止发生意外事故。
萃取精馏分离乙酸乙酯_乙醇溶剂的实验研究
摘 要 本文对萃取精馏分离技术和进展进行了简单评述后， 对萃取精馏分离乙酸乙酯—乙醇共沸体系的溶剂选择进行了实验研究。 关键词 萃取剂 混合溶剂 溶剂比 相对挥发度 共沸物系 中图分类号： O6-3 文献标识码： A 文章编号： 1007-3973(2007)01-069-01 一、 萃取精馏的分类 萃取精馏按照其操作方式可以分为两类,即连续萃取精馏和间歇萃取 精馏。 （一） 连续萃取精馏 连续萃取精馏过程中, 进料、 溶剂的加入及回收都是连续的。人们对 连续萃取精馏的研究,主要集中在如下物系的分离上面： （1） 芳烃及其衍生物的分离。 （2） 醇的分离与提纯。如 醇和乙酸酯的分离; （3） 有机酸的分离; （4） 烷烃和烯烃等的分离。 （二） 间歇萃取精馏 间歇萃取精馏是近年来兴起的新的研究方向,由于间歇萃取精馏具有 间歇精馏和萃取精馏的优点,近年来引起了一些学者的注意。 （三） 萃取剂的选择 萃取剂的选择是萃取精馏分离过程能否实现和经济效果如何的首要 问题。萃取精馏的溶剂选择需要满足如下条件: （1） 高选择性; （2）溶剂的挥发度要远低于所需要分离的物系中最高沸点组分的挥 发度,从而使萃取剂的回收易于实现; （3） 价廉易得; （4） 毒性小,腐蚀性要小,对环境的污染少; 5) 良好的热稳定性和化学稳定性; 6) 相容性好。溶剂须和被分离组分具有较大的溶解度。 二、 萃取精馏分离乙酸乙酯与乙醇溶剂的实验研究 本节通过萃取精馏分离乙酸乙酯和乙醇溶剂的实验研究，测定了常 压下， 加入了溶剂的乙酸乙酯--乙醇体系的实验数据， 溶剂由参阅和查看 相关资料筛选得出， 分别为： DMSO （二甲基亚砜） NMP ， （N-甲基吡咯烷 酮） DMF 、 （N.N—二甲基甲酰胺） DMSO+DMF ， （二甲基亚砜+N.N—二甲 基甲酰胺） DMSO+NMP 二甲基亚砜+N-甲基吡咯烷酮） DMF+NMP N. ， （ , （ N—二甲基甲酰胺+N-甲基吡咯烷酮） 。 （一） 体系的物理性质 乙酸乙酯与乙醇的体积比 3： 常压下， 1 （ 共沸组成约为 2..5） 乙酸乙酯与乙醇能形成最低共沸混合物， 共沸物沸点为 71.8℃， 共沸 物组成 （wt%） 乙醇 31%， ： 乙酸乙酯 69%。 （二） 实验装置和实验方法 1.实验装置 实验装置如图 1 所示， 装置本身主要包括四个部分： 加热釜、 冷凝器、 升气管和加热部分。 2.单一萃取剂的加入实验 （1） 实验时， 首先将乙酸乙酯和乙 醇以体积比为 3：1 的比例配制成混合 溶液加入实验。 （2） 称取 130g 倒入加热釜， 并称取 其 1% （wt%） 的萃取剂加入釜中， 向冷 凝器通入冷凝水， 打开电源开关， 开始 加热， 调节加热釜温度， 物料沸腾后， 上 升蒸汽经冷凝器冷凝后全回流到加热 釜， 待温度稳定后保持 2h。 然后分别提 取积液管中的液体和加热釜中的液体 样， 立即进行色谱分析， 以待求取相对 挥发度作图。 图 １ 实验评价装置图 （3） 在第 2 步的基础上， 再加入其 １—冷凝器 ； ２—铁架台 ； ３—升气管 ； 3%、 7%、 （wt%） 5%、 9% 的萃取剂 ４—温度计 ； ５—三口蒸馏烧瓶 ； 同上述相同的方法实验， 取样测定 ６—加热炉 ； ７—取样口 ； 分析， 作图。 （4） 按照 1-3 步的实验步骤， 分别对 N--甲基吡咯烷酮、 N.N--二甲基 甲酰胺、 二甲基亚砜萃取剂进行实验， 将三种萃取剂的实验数据作成 坐标图， 以比较分离效果好的萃取剂。 3.溶剂比对体系分离的影响 （略） 三、 实验装置及实验过程 （一）实验装置 图 2 实验装置图 1-热电偶；2-回流管；3-回流比控制 器； 4-电磁线圈； 5-精馏段； 6-下加料口/取样口； 7-再沸器； 8-冷凝 器； 9-集气瓶； 10-高位槽； 11-上取样口； 12-提留段； 13-温度计； 14-加热电炉； （二） 实验步骤与操作 1.实验物系 本实验选用乙酸乙酯—乙醇溶液 （体 积比为 3:1） 为原料， 原料量为 150ml， 加入 N, N-二甲基甲酰胺 （DMF） 和二甲基亚砜 （DMSO） 两者的混合物为萃取剂， 在一定 回流比、 溶剂流率下， 观察了溶剂对萃取精 馏效果的影响及其过程特征。 2.实验操作 （1） 实验中的第一步全回流操作 检查各处接口的密封性， 向塔顶冷凝 器通入冷却水后， 接通加热电源对再沸器进行加热， 待再沸器内液体开始 沸腾时， 接通塔体保温电路， 再缓慢地提高再沸器的加热电压， 使塔内发 生液泛， 以便塔内填料充分润湿。当塔内出现液泛现象时， 避免塔身持液 量大， 影响分离效率和产出速率。每隔 10 分钟记录实验数据。 （2） 实验中的第二步——加溶剂全回流操作 待第一步回流稳定后， 以恒定的流速向塔内加入溶剂， 全回流 30 分 钟， 以降低出料中重组分的含量。另外， 本实验不能应用温度作为操作标 志， 所以一般采样测定塔顶浓度， 确定此操作结束时间。 （3） 实验中的第三步——产品采出操作 当塔顶浓度达到稳定后， 调节回流比控制器， 以一定的回流比采出。 每隔 10min 记录一次加热电压、 釜温、 顶温， 并用取样瓶收集馏出液， 然后 用气相色谱仪测定其组成。 （4） 实验中的第四步——溶剂回收操作 当馏出液取样到一定程度时， 停止加入溶剂， 进行普通间歇精馏操作， 从塔顶蒸出过渡组分和重组分， 塔釜富集溶剂， 回收利用。 （5） 实验的停止 实验结束后， 停止加热， 切断电源， 待塔釜温度降至室温时， 关掉冷却 水。 （三） 检测仪器和分析方法 采用 GC-7890 型的气相色谱仪， 氢火焰检测器 （FID） 检测， 色谱柱为 石英毛细管柱， 柱型号为 OV-101， 柱长： 50m， 柱内径： 0.25mm， 氢气流速 20ml/min，空气流速为 200ml/min，氮气流速为 40ml/min，检测室温度 200℃，用二阶程序升温分析：初温 70℃，保持 13min；然后以升温速率 15℃/min 升温至 150℃， 保持 5min。分析方法为积分峰面积归一法。 结论： 通过对萃取精馏溶剂选择的实验研究， （1） 得到了二元混合溶 剂比单一溶剂分离性能好； 2） （ 提出了一种分离乙酸乙酯—乙醇共沸混合 物系的优良单一溶剂 DMSO， 实验数据中 DMSO 参与反应的溶剂相对挥 发度为 3.7006。对于混合溶剂萃取精馏分离乙酸乙酯—乙醇共沸体系， 选取了 DMF+DMSO， 此种混合萃取剂的性能最优， 可在溶剂比为 0.4 时， 使体系相对挥发度达到 2.15；3） （ 将选出的混合溶剂 DMF+DMSO 对常规 间歇萃取精馏过程进行简单的实验研究。结果表明，适宜组成的混合溶 剂萃取间歇精馏的产品塔顶组成可达到 86.13%， 均高于单一溶剂萃取间 歇精馏的产品回收率及其最高纯度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
修改稿日期:2005203224;作者简介:李新利(1978-),女,硕研,助教,电邮nanjingli @1631com 。
萃取精馏分离醋酸/水溶液溶剂研究进展及机理分析3李新利,唐聪明(西华师范大学化学化工学院,南充 637002)摘要:介绍了萃取精馏法分离醋酸水溶液萃取剂的研究进展,在此基础上初步分析了萃取剂与原溶剂组分间的相互作用,醋酸提供质子给萃取剂,与萃取剂分子之间产生松弛的化学作用,从而改变了醋酸在液相中的活度系数,即改变了水对醋酸的相对挥发度。
针对几种分离效果较优的萃取剂,探讨了该萃取剂与醋酸发生质子化的可能位置。
本文分析结果表明,对于醋酸水溶液的分离,酰胺和砜类是可能合适的萃取精馏溶剂。
关键词:醋酸;水;萃取精馏;质子化中图分类号:TQ 42 文献标识码:A 文章编号:100129219(2005)062632040 前言萃取精馏是一种特殊精馏方法。
它是向共沸物或不易分离的混合物中加入一种萃取溶剂,使难分离组分间的相对挥发度增大,从而达到设计的分离要求。
醋酸水溶液是高度非理想物系,传统的普通精馏法不仅塔板数多,能耗大,而且难以分离彻底。
以萃取精馏法分离醋酸水溶液的研究已有不少的文献报道[1212],但是前人的工作主要集中于萃取剂的选择和萃取精馏塔条件实验等方面。
本文在对萃取剂进行综述的基础上,分析讨论了萃取剂与醋酸分子间质子化作用位置与形成的络合物结构。
1 萃取精馏法分离醋酸水溶液萃取剂的研究进展111 单一萃取剂的研究进展人们很早就知道叔胺类物质对酸与非酸溶液具有很好的分离效果。
因此,Von G arwin [2]提出用二甲基苯胺来分离醋酸水溶液。
但是二甲基苯胺与水形成最低共沸物。
Wolgang Muller [3]提出以1,22吗啉乙烷(熔点72℃,沸点20418℃[01013MPa ])为萃取剂,对醋酸含量50%(质量分数,下同)的酸水溶液进行减压萃取精馏,塔顶水含酸仅0101%;虽然1,22吗啉乙烷分离效果很好,但存在因熔沸点过高引起的需保温管路输送、溶剂回收塔减压操作等问题。
此外,吗啉乙烷不是很常见的溶剂也限制了它的应用。
Rudolf Sartorius [4]选用N 2甲基乙酰胺做萃取剂,在处理含酸4515%的酸水溶液时,萃取精馏塔维持常压,塔顶水含酸0101%。
溶剂回收塔减压操作,顶塔顶酸含量9918%。
他还发现,在萃取剂循环使用过程中,加入5%的水对分离效果没有影响,可以降低其熔点(降至15℃),便以输送。
在德国专利[5]中,曾用N 2甲酰吗啉做萃取剂分离甲酸或乙酸水溶液。
N 2甲酰吗啉熔点较低,但是同样也存在减压操作的问题。
N 2甲基吡硌烷酮常温下以液态形式存在,与水、醋酸混溶,同时不形成共沸物、热稳定(分解温度在425℃)。
Cohen [6]研究了这种环状酰胺对醋酸水溶液分离效果的改善。
在萃取精馏塔顶含酸量低于011%。
他认为N 2甲基吡咯烷酮与醋酸形成了一种络合物,在精馏塔底部出来的是醋酸和这种络合物的混合物。
适当调节溶剂回收塔温度和压力,这种络合物就会重新分解出醋酸和N 2甲基吡硌烷酮。
Lloyd Berg [729]研究了很多物质对水2醋酸相对挥发度的改变,代表物质为N ,N 2二甲基甲酰胺和己二腈、二甲亚砜、环丁砜、庚酸、壬酸、新葵酸、异佛乐酮、苯乙酮等。
胡兴兰[10211]等综合研究了含氮类络合剂对水/醋酸体系气液平衡的影响,所选单一溶剂包括脂肪族胺类,像N ,N 2二甲基甲酰胺(DMF )、N 2甲基乙酰胺(NMA )、N 2甲基吡硌烷酮(NMP )、己内酰胺,和腈类中的己二腈。
如果仅从相对挥发度或选择性考虑,最优溶剂为N2甲基乙酰胺,加入NMA后水对醋酸的相对挥发度为4175,是原来的3112倍而选择性在3113。
在此基础上,利用PRO/II软件对萃取精馏法分离醋酸/水的工艺进行了模拟,与普通精馏相比,萃取精馏工艺的再沸器热负荷降低了5118%。
雷志刚[12]等针对醋酸水体系的分离,利用路易斯碱与醋酸之间的作用力远强于与水的作用力,从而较大幅度地提高水和醋酸的相对挥发度。
文中所用络合剂为脂肪族叔胺三丁胺,并报道了醋酸、水、三丁胺各个两元对的汽液平衡数据。
萃取精馏塔常压操作下,塔顶醋酸含量可以控制在012%以内。
醋酸作为二价钴氧化成三价醋酸钴盐的反应溶剂,将会产生大量的醋酸废水。
H Demiral等[13]针对这种情况,以己二腈、环丁砜为萃取剂,研究了溶剂流率与原料液流率之比对萃取精馏分离效果的影响。
112 复合萃取剂的研究进展复合溶剂具有单一溶剂所没有的优良性质,已为人们所认识。
复合溶剂辅助溶剂的选择、各个溶剂组分配比的变化等因素综合决定了复合萃取剂的效果。
高沸点羧酸和酮类可用作复合溶剂的一种基础组分。
Lloyd Berg[6]详细研究了复合萃取剂对醋酸2水相对挥发度的影响,测定了加入复合络合剂(苯甲酸+N,N2二甲基甲酰胺,肉桂酸+苯乙酮,肉桂酸+己二腈,己酸+硝基苯,己酸+甲基戊基酮,庚酸+异佛尔酮等)后水对醋酸的相对挥发度,其值比未加入酸或酮以前均有不同程度的提高。
胡兴兰[10]用改进式罗斯釜测定了固定醋酸、水、络合剂比例下水对醋酸的相对挥发度。
N,N2二甲基乙酰胺与庚酸的混合溶剂的相对挥发度比相同配比时单一溶剂N,N2二甲基乙酰胺的相对挥发度要高一些,前者是3141,后者是3124,同时选择性上也相应发生一些变化,分别是2124和2113。
综上所述,萃取精馏分离醋酸水溶液所用萃取剂主要是叔胺、酰胺等含氮原子、硫原子的溶剂和高沸点(C7～C10)的羧酸等。
在各种单一萃取剂中, 1,22吗啉乙烷的熔沸点过高,在具体操作中存在着很多问题。
胡兴兰[10]通过对加入各种溶剂后相对挥发度改变的比较,确定N2甲基乙酰胺(NMA)为较好的单一溶剂。
雷志刚[12]发现三丁胺的加入对水对醋酸的相对挥发度改变很大。
而H Demiral 等[13]针对钴氧化工序产生的醋酸水溶液,选择环丁砜为萃取剂。
尽管这些溶剂的性能略有差异,但是均具有较好的选择性、化学稳定性、且无腐蚀性和毒性,符合溶剂选择的基本原则。
2 萃取剂作用机理分析211 萃取剂作用机理分析在文献[10]中作者认为萃取剂对醋酸水溶液相对挥发度的改变在于醋酸与此类含氮类化合物分子之间存在着氢键缔合(醋酸浓度低时)和离子成盐(醋酸浓度高时)作用机理。
雷志刚[12]同样认为存在这样的反应机制。
纯醋酸中,醋酸分子以单体或二聚体形式存在。
二聚体分子是两个醋酸分子之间形成两个氢键(O -H…O=C),首尾相连呈环状。
可见羧酸中的氢质子很容易受到电子的吸引而偏离原来的位置,因此醋酸是典型的路易斯酸。
胺(或酰胺)、砜类物质在路易斯化学的定义中是碱,因为它的分子中的氮原子或氧原子可以提供电子对给氢质子。
这样醋酸作为一种良好的质子供体,将会和电子供体物质形成氢键缔合或离子成盐,由此改变醋酸在水溶液中的活度系数,增大水对醋酸的相对挥发度。
相对而言,这种氢键缔合或离子对作用是介于范德华力和共价键力之间的弱相互作用,通过一定的控温、控压,这种作用力可以解除,从而恢复原来的分子状态。
212 质子化位置与络合物分子结构N2甲基乙酰胺、三丁胺、环丁砜分别归属于酰胺、脂肪族叔胺和砜类,针对这三类物质,分别分析了该类萃取剂与醋酸分子间发生质子化的位置与形成的络合物结构。
21211 酰胺类物质溶液中胺的碱性主要是由胺氮原子上取代基的诱导效应和共振效应共同决定的。
在N2甲基乙酰胺分子中同时存在甲基诱导效应和羰基共振效应,使氧原子上电子云密度增加、氮原子上电子云密度减小,二者共同决定了N2甲基乙酰胺的碱性是很弱的。
由于氮原子的电子密度变小,那么质子化仍然在氮原子处产生呢,还是会在电子云密度变高的氧原子处产生。
现在研究已经证明在氮和羧基间存在弱相互作用的化合物中,质子化作用在氧原子上发生,也就是酰胺的质子化在羰基氧原子上发生。
文献[14]利用共振拉曼效应研究了汽相和水溶液中N2甲基乙酰胺分子的存在形式。
相同条件下,汽相中的N2甲基乙酰胺分子羰基震动很强,而在水溶液中,羰基特征峰很弱或者几乎消失。
这正是因为N2甲基乙酰胺分子在羰基位置结合了水分子而使得羰基特征峰几乎消失。
现在发展的分子模拟技术也同样表明在酰胺的羰基氧原子上发生质子化。
文献[15]模拟了N2甲基乙酰胺在水溶液中的质子化现象。
在一个三维空间中,N2甲基乙酰胺结合了三分子水,两个在氧原子上,另一个是氮原子上的氢结合了水分子中的氧原子。
设想,醋酸的给质子能力强于水分子,从酸碱作用力考虑,醋酸与上述非质子溶剂间的相互作用力将远大于水与这些溶剂之间的作用力,即在醋酸水溶液中N2甲基乙酰胺分子与醋酸分子结合的比例远大于与水分子结合的比例,微观上改变了醋酸和水分子的相对存在形式。
在文献[16]中,以醋酸为酸性供质子物质,乙酰胺为供电子物质,研究了醋酸-乙酰胺之间的相互作用。
醋酸的羧羟基氢质子与酰胺中的羰基氧原子发生氢键缔合形成一个稳定的六元环状结构单元,即具有结构的络合物分子。
21212 脂肪族叔胺脂肪族胺的碱性是按照伯胺、仲胺、叔胺的顺序递增,而且伯胺之间或者仲胺之间则是烷基分支越多的胺碱性越强。
有机羧酸与高沸点的叔胺(沸点大于300℃)之间的相互作用已经有大量的研究报道。
K ing[17]等人对有机羧酸-叔胺体系的红外光谱定性分析结果表明,萃合物中羧酸官能团上的质子通常传递给叔胺,从而形成一个由季胺阳离子和羧酸阴离子组成的有机离子对。
Tamada[18]等人认为,叔胺对有机羧酸的萃取机理与有机羧酸的酸性强弱有关。
弱酸与叔胺生成的(1∶1)型萃合物,较难判断其是离子对结构还是氢键结构。
三丁胺是一种具有一定碱性的脂肪族叔胺,沸点较前面的高沸点叔胺要低得多,但是同样作为叔胺类物质,三丁胺与醋酸分子之间也可能发生可逆络合反应,把羧酸官能团上的质子氢传递给叔胺上的氮原子,从而形成一个由季胺阳离子和羧酸阴离子组成的有机离子对,即:R3N+HA C R3N A HA C[R3N2H]+A C-。
在三丁胺与醋酸的红外光谱[12]中显示,1550～1600cm-1之间出现了一个非三丁胺与醋酸的吸收峰,且符合羧酸盐的特征峰,分析认为可能是这类分离剂中的氮原子能给出孤对电子,为有机路易斯碱,从而通过较强的酸碱络合作用与醋酸形成了路易斯酸碱络合物,即在三丁胺的氮原子上接受了氢质子。
21213 含硫原子的砜类二甲亚砜(CH3S()CH3)、环丁砜()都是常见的非质子溶剂,环丁砜除了含有一个硫原子,还含有一个特殊的环状结构,氧原子上电子云密度很大,由前面分析可知,醋酸分子非常容易与这种非质子溶剂中的氧原子之间发生O-H …O=S形式的氢键作用,形成具有单元结构的络合物,发生质子化的位置同样为氧原子,再者,由于中心硫原子受到环和氧原子的空间位阻作用,阻碍了和氢质子的相互接触。