萃取精馏操作原理

导语

前一篇文章，我重点阐述的化工生产过程中的精馏工艺操作，今天我要说的是精馏操作中的两种特殊精馏：萃取精馏和共沸精馏。两者原理基本相同，共沸精馏的不同之处是共沸剂(夹带剂，携带剂)在影响原溶液组分相对挥发度的同时，还要与原溶液中一个或多个组分形成共沸物。本文主要介绍萃取精馏操作。

一、操作原理

对于沸点非常接近的两种或几种物质的混合物，利用普通的精馏难以将其分离，因此在混合物中加入一种沸点较高的物质作为萃取剂，从而改变它们之间的相对挥发度，再利用精馏的方法将其分离，分离出的萃取剂循环使用，这是一种萃取和精馏在同一塔内进行的特殊精馏操作。根据新加入的萃取剂和原混合物的存在方式的区别，又分为共沸精馏和萃取精馏。

1、共沸精馏

共沸精馏，又称恒沸精馏，是利用混合物中的组分能形成共沸物的性质实现分离的精馏过程。通常在待分离的溶液中加入共沸剂(或称夹带剂)，使其与溶液中的一个或两个组分形成共沸物，以增大待分离组分间的相对挥发度而使分离易于进行。如果形成的共沸物是易挥发的塔顶产品，则塔底理论上得纯组分，这种体系称为具有最低共沸物体系。若共沸物是难挥发的塔底产品，则塔顶理论上可得纯组分，这种体系称为具有最高共沸物体系。当两种性质接近的液体混合时，所形成溶液近似于理想体系，它们在一个较大温度范围内相互溶解，蒸汽压符合拉乌尔定律。共沸现象是由于组成溶液的各组分分子结构不相似，在混合时引起与理想溶液发生偏差所致。若溶液的蒸汽压对理想溶液发生负偏差，即活度系数小于1时，则形成最高共沸物;若溶液蒸汽压对理想 溶液发生正偏差，即活度系数大于1， 则形成最低共沸物。

1.1 共沸精馏特点：

在被分离的物系中加入共沸剂，该共沸剂必须能和物系中的一个或者几个组分形成最低点共沸物，以至于使需要分离的几种组分间的相对挥发度增大。在精馏时，共沸组分作为轻组分能以恒沸物的形式从精馏塔顶蒸馏出来，工业上把这种操作定义为共沸精馏。根据塔顶蒸馏出的二组分或三组分混合物经冷凝器冷凝后能否分为互不溶解的两个液相，将共沸精馏分为均相共沸精馏和非均相共沸精馏。

2、萃取精馏

萃取精馏通过添加萃取溶剂使原有组分的相对挥发度按照我们生产所希望的方向改变，尽可能增大相对挥发度。当被分离物系的非理想性较大，且在一定浓度范围内难以分离时，加入溶剂后，原有组分的浓度均下降，从而减弱了它们之间的相互作用，只要溶剂的浓度足够大，就突出了两组分蒸汽压的差异对相对挥发度的贡献，实现了原物系的分离。在该情况下，溶剂主要起了稀释作用。当原有两组分A和B的沸点相近，非理想性不大时，若相对挥发度 接近于1, 则用普通精馏也无法分离。加入溶剂后，溶剂与组分A形成具有较强正偏差的非理想溶液，与组分B形成负偏差溶液或理想溶液，从而提高了组分A对组分B的相对挥发度，以实现原有两组分的分离，溶剂的作用在于对不同组分相互作用的强弱有较大差异。

2.1萃取精馏分类

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。

连续萃取精馏

连续萃取精溜过程中，进料、溶剂的加入及回收都是连续的。连续萃取精馏一般采用双塔操作，第一个塔是萃取精馏塔，被分离的物料由塔的中部连续进入塔内，而溶剂则在靠近塔顶的部位连续加入。

在萃取精馏塔内易挥发组分由塔顶馏出，而难挥发组分和溶剂由塔底馏出并进入溶剂回收塔。在溶剂回收塔内难挥发组分与溶剂得到分离，难挥发组分由塔顶馏出，而溶剂由塔底馏出并循环回送至萃取精馏塔。

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。间歇萃取精馏比连续萃取精馏复杂得多，其流程及操作方法与连续萃取精馏不同。我对这一块研究不深，待接触研究后再和大家讨论。

2.2萃取溶剂的选择

由于萃取精馏混合物多为强非理想性的系统，所以工业生产中选择适宜溶剂时主要应考虑以下几点:

选择性:溶剂的加入要使待分离组分的相对挥发度提高显著，即要求溶剂具有较高的选择性，以提高溶剂的利用率。

溶解性:要求溶剂与原有组分间有较大的相互溶解度，以防止液体在塔内产生分层现象，但具有高选择性的溶剂往往伴有不互溶性或较低的溶解性，因此需要通过权衡选取合适的溶剂，使其既具有较好的选择性，又具有较高的溶解性。

沸点:溶剂的沸点应高于原进料混合物的沸点，以防止形成溶剂与组分的共沸物。但也不能过高，以避免造成溶剂回收塔釜温过高。

2.3举例说明

我所在的化工企业有一套30万吨/年的环己醇酮装置，其采用环己烯水合法制环己醇，其中原料苯经部分加氢反应所得的苯烷烯三组分混合物采用萃取精馏工艺来实现有效分离 。

装置现场图

工艺流程：苯、环已烯和环已烷的混合物被送入苯分离塔的第26层塔板，靠从塔底产生的上升气流向上蒸发，萃取剂N,N-二甲基乙酰胺被送入苯分离塔的第55层塔板，靠从塔顶引进下降的液流向下移动:同时吸收上升气流中的苯，将苯萃取出来，从塔底抽出,送入苯精制塔的第31层塔板，通过普通精馏后苯从塔顶抽出，送入前系统加氢反应工段循环使用，萃取剂从塔底抽出返回苯分离塔中循环使用。被萃取出苯的环已烯和环已烷混合物被送入环已烯分离塔的第2层填料上部，靠从塔底产生的上升气流向上蒸发，萃取剂N.N-二甲基乙酰胺被送入环已师分离塔的第4层填料上部靠从塔顶引进下降的液流向下移动，同时吸收上升气流中的环已烯，将环已烯萃取出来，从塔底抽出，送入环已烯精制塔的第30层塔板，再通过普通精馏后环已烯从塔顶抽出，送入水合反应工段经加水反应制得环已醇，萃取剂从塔底抽出返回环已桶分离塔中循坏使用。环已烧从塔项抽出送入环已烷精制工段进一步提纯。

实际运行过程中，经萃取精馏后各组分纯度分别达到：环己烷≥97.48%，环己烯≥98.79%，苯≥99.2%。

2.4萃取精馏操作要点：

在苯分离塔和环己烯分离塔中均是用精馏段灵敏板温度和回流量打串级来控制塔顶浓缩温度，从而控制微量组分的含量（在苯分离塔中控制苯，在环己烯分离塔中控制环烯）。此方法对外部温度变动有效，但对于压力变动存在着造成反动作的危险，因此不能使塔压波动。 同理，在苯精制塔和环己烯精制塔中，是利用提馏段灵敏板温度和蒸汽量打串级来控制回收温度，从而控制微量组分的含量。此方法对外部温度变动有效，但对于压力变动亦存在着造成反动作 的危险，因此也不能使塔压波动。

蒸汽压力波动对分离效果的影响

由于各塔都比较高，苯分离塔62层塔板,苯回收塔61层塔板,环已烯回收塔60层塔板，而环已烯分离塔最高达63米，各精馏塔对蒸汽压力波动比较敏感，塔釜的操作压力、温度都会随之波动，继而影响到塔顶,塔平衡易被打破，且不易恢复，造成出料不合格，影响后系统正常生产，所以生产中控制蒸汽压力尤为重要。

物料中水含量对萃取剂的影响

如果物料中含水，萃取剂二甲基乙酰胺在水中会发生轻度水解反应，水解生成二甲胺和有腐蚀性的醋酸，长期积累会造成塔和管线腐蚀，所以工艺前端的脱水塔必须正常工作，保证物料中含水满足要求，并定期检测系统中的醋酸含量。