萃取精餾分離苯和環(huán)己烷的二元混合溶劑

苯和環(huán)己烷的反應(yīng)距離很近，形成最低的共沸騰混合物。該混合物系的分離是化工分離領(lǐng)域的一個(gè)非常重要和典型的例子。萃取精、味測定是分離近水源和共沸騰分泌物的主要技術(shù)。萃取精餾已經(jīng)有60年的歷史,其工業(yè)過程特點(diǎn)是加入第3組分離沸點(diǎn)相差微小的溶液,加入的第3組分稱為萃取劑.萃取劑的選擇是萃取精餾分離過程的關(guān)鍵問題,以往萃取精餾采用的溶劑是單一溶劑,隨著分離要求越來越嚴(yán)格以及單一溶劑自身一般存在選擇性與溶解性二者之間的矛盾,限制了萃取精餾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,近年來人們開始開發(fā)混合溶劑作為萃取劑,且取得了良好的效果1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和試劑實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,主要包括加熱釜、冷凝器、積液槽、加熱裝置和保溫裝置5個(gè)部分.加熱釜由200mL的燒瓶改造而成;冷凝器采用玻璃冷凝器;加熱部分采用油浴加熱;保溫部分采用了鍍膜加熱玻璃套管,以防止氣相過冷.加熱后產(chǎn)生的上升物料蒸氣冷凝后部分存于積液槽中,待系統(tǒng)完全達(dá)到平衡后,這時(shí)積液槽中溶液組成不再變化,槽中組成即常壓下系統(tǒng)氣相摩爾組成.積液槽內(nèi)的液體可以由溢流小孔流回加熱釜中,而此時(shí)溫度不再變化的塔釜組成為平衡液相組成.此裝置由溫度來控制系統(tǒng)操作,共有3個(gè)測溫點(diǎn),分別測量體系的液相溫度、平衡溫度和保溫溫度.全部實(shí)驗(yàn)試劑均為市售產(chǎn)品.試劑有環(huán)己烷、苯、二甲基亞砜(dimethylsulfoxide,DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide,DMF)和N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone,NMP),均為分析純.1.2加熱、充液、.首先將120g加入混合溶劑的環(huán)己烷-苯待分離體系于錐形瓶中混合均勻,然后靜置,觀察現(xiàn)象,檢查體系是否完全互溶.然后,將瓶中料液完全倒入加熱釜,向冷凝器通入冷凝水,打開電源開關(guān),開始加熱;物料沸騰后,上升氣體經(jīng)冷凝器冷凝回流到加熱釜,控制平衡溫度與保溫溫度相差為±0.5℃,直到加熱釜的溫度和平衡溫度保持基本不變時(shí),表示過程達(dá)到穩(wěn)定,維持平衡狀態(tài)1.5h;然后分別提取積液槽中的液體和加熱釜中的液體樣,立即進(jìn)行分析.1.3fid測定條件分析儀器為配備A4800/A4900色譜數(shù)據(jù)工作站的SQ-206型氣相色譜儀,采用FID檢測.色譜柱為SE-30型石英毛細(xì)管柱,柱長60m,直徑0.32mm;氫氣流速20mL/min,空氣流速20mL/min,氮?dú)饬魉?0mL/min;檢測室溫度200℃,采用程序升溫分析,初溫70℃,終溫130℃,升溫速率16℃/min.1.4測定結(jié)果與分析用純試劑配制的混合試劑組成的實(shí)驗(yàn)室測定值與理論計(jì)算值吻合良好,說明實(shí)驗(yàn)室色譜測定可靠.常壓下,用此氣液平衡裝置測定了苯-DMF二元系統(tǒng)的氣液平衡數(shù)據(jù),與文獻(xiàn)2結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)測定了常壓下加入混合溶劑的環(huán)己烷-苯體系的氣液平衡數(shù)據(jù),萃取溶劑通過修正UNIFAC方程計(jì)算2.1萃取劑為單一萃取劑在常壓下,改變混合溶劑(NMP和DMSO)的摩爾組成,得到對(duì)相同體積、體積比為1:2的環(huán)己烷-苯近沸點(diǎn)混合體系進(jìn)行分離的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),見圖2.從圖2中可以看出,平衡溫度下,DMSO和NMP作為單一溶劑時(shí)得到環(huán)己烷對(duì)苯的相對(duì)揮發(fā)度α分別為2.52和2.25,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不加溶劑時(shí)的相對(duì)揮發(fā)度1.01(由本實(shí)驗(yàn)裝置測得),可知二者均為較優(yōu)良的單一萃取劑;但若把二者混合作為溶劑,且不改變其他實(shí)驗(yàn)條件,發(fā)現(xiàn)該混合溶劑有一最佳組成,當(dāng)DMSO和NMP摩爾比為1:1時(shí),環(huán)己烷對(duì)苯的相對(duì)揮發(fā)度達(dá)到一極點(diǎn)值3.17.結(jié)果表明,二元混合溶劑比單一溶劑分離效果要好,這是因?yàn)閷?duì)于體積比為2的苯-環(huán)己烷體系,DMSO的選擇性比NMP要高,NMP的溶解性能比DMSO好.當(dāng)2種溶劑混合在一起時(shí),隨著NMP濃度的不斷提高,DMSO能更均勻地溶解分布于體系中,使高選擇性更完全地體現(xiàn)出來,在相對(duì)揮發(fā)度極值處,該二元混合溶劑的綜合性能(溶解性和選擇性)達(dá)到最優(yōu).之后,隨著NMP濃度的繼續(xù)升高,DMSO的濃度下降,選擇性亦隨之下降,混合溶劑中起主要作用的物質(zhì)變?yōu)镹MP,最后,混合溶劑的性能趨于單一溶劑NMP的性能,而且作為簡單溶劑,DMSO的性能要比NMP優(yōu)良.2.2最佳萃取劑的確定在與2.1節(jié)相同的實(shí)驗(yàn)條件下,只改變混合溶劑組成為NMP和DMF,得到一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖3所示.從圖3中可以看出,二元混合溶劑Ⅱ(NMP和DMF)同二元混合溶劑Ⅰ(NMP和DMSO)一樣,當(dāng)NMP和DMF摩爾組成接近1:1時(shí),有一最佳萃取劑組成,分離效果也最好.原體系中被分離組分的相對(duì)揮發(fā)度α達(dá)到2.66,略低于二元混合溶劑Ⅰ(NMP+DMSO).而且在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),作為單一溶劑,DMF沸點(diǎn)適宜,易回收,毒性小,價(jià)格低,綜合性能遠(yuǎn)好于文獻(xiàn)2.3混合溶劑dmso和dmf分離苯-環(huán)己烷體系圖4是在常壓下及其他實(shí)驗(yàn)條件基本相同情況下,改變苯-環(huán)己烷體系組成和混合溶劑(DMSO和DMF)摩爾組成所得的3條曲線,曲線1代表苯和環(huán)己烷體積比為3.0:1.0的溶液體系;曲線2代表苯和環(huán)己烷體積比為2.0:1.0的溶液體系;曲線3代表苯和環(huán)己烷體積比為1.5:1.0的溶液體系.從圖4中可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于互溶體系,所選混合溶劑分離不同組成苯-環(huán)己烷體系時(shí),混合溶劑均存在一最佳組成,該組成數(shù)值隨分離體系組成不同而變化.綜上所述,對(duì)于苯-環(huán)己烷體系的分離,混合溶劑(DMSO和DMF)是性能非常優(yōu)秀的萃取劑,對(duì)于同一被分離物系,環(huán)己烷對(duì)苯的揮發(fā)度高出其他2種不同組分構(gòu)成的混合溶劑許多,接近3.50.混合溶劑分離效果優(yōu)于單一溶劑的原因是混合溶劑中的其中一組分(如DMSO)具有很高的選擇性,但溶解性能不好;而另一組分(如DMF或NMP)既具有非常好的溶解能力,又具有較好的選擇性;當(dāng)2種組分組成混合溶劑時(shí),便很好地解決了單一溶劑選擇性與溶解性相矛盾的問題.3萃取劑的選擇(1)二元混合溶劑比單一溶劑分離性能好.采用二元混合溶劑時(shí),被分離組分之間相對(duì)揮發(fā)度比單一溶劑一般要高.二元混合溶劑很好地解決了單一溶劑常見的選擇性與溶解性相矛盾的問題,使萃取劑的選擇范圍增大.(2)對(duì)于溶劑與被分離組分構(gòu)成的均相互溶物系,二元溶劑存在最佳配比