萃取精馏分离苯和环己烷的二元混合溶剂

萃取精馏分离苯和环己烷的二元混合溶剂

苯和环己烷的反应距离很近，形成最低的共沸腾混合物。该混合物系的分离是化工分离领域的一个非常重要和典型的例子。萃取精、味测定是分离近水源和共沸腾分泌物的主要技术。萃取精馏已经有60年的历史,其工业过程特点是加入第3组分离沸点相差微小的溶液,加入的第3组分称为萃取剂.萃取剂的选择是萃取精馏分离过程的关键问题,以往萃取精馏采用的溶剂是单一溶剂,随着分离要求越来越严格以及单一溶剂自身一般存在选择性与溶解性二者之间的矛盾,限制了萃取精馏技术的进一步发展,近年来人们开始开发混合溶剂作为萃取剂,且取得了良好的效果1实验设备和实验方法1.1实验系统和试剂实验装置如图1所示,主要包括加热釜、冷凝器、积液槽、加热装置和保温装置5个部分.加热釜由200mL的烧瓶改造而成;冷凝器采用玻璃冷凝器;加热部分采用油浴加热;保温部分采用了镀膜加热玻璃套管,以防止气相过冷.加热后产生的上升物料蒸气冷凝后部分存于积液槽中,待系统完全达到平衡后,这时积液槽中溶液组成不再变化,槽中组成即常压下系统气相摩尔组成.积液槽内的液体可以由溢流小孔流回加热釜中,而此时温度不再变化的塔釜组成为平衡液相组成.此装置由温度来控制系统操作,共有3个测温点,分别测量体系的液相温度、平衡温度和保温温度.全部实验试剂均为市售产品.试剂有环己烷、苯、二甲基亚砜(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),均为分析纯.1.2加热、充液、.首先将120g加入混合溶剂的环己烷-苯待分离体系于锥形瓶中混合均匀,然后静置,观察现象,检查体系是否完全互溶.然后,将瓶中料液完全倒入加热釜,向冷凝器通入冷凝水,打开电源开关,开始加热;物料沸腾后,上升气体经冷凝器冷凝回流到加热釜,控制平衡温度与保温温度相差为±0.5℃,直到加热釜的温度和平衡温度保持基本不变时,表示过程达到稳定,维持平衡状态1.5h;然后分别提取积液槽中的液体和加热釜中的液体样,立即进行分析.1.3fid测定条件分析仪器为配备A4800/A4900色谱数据工作站的SQ-206型气相色谱仪,采用FID检测.色谱柱为SE-30型石英毛细管柱,柱长60m,直径0.32mm;氢气流速20mL/min,空气流速20mL/min,氮气流速40mL/min;检测室温度200℃,采用程序升温分析,初温70℃,终温130℃,升温速率16℃/min.1.4测定结果与分析用纯试剂配制的混合试剂组成的实验室测定值与理论计算值吻合良好,说明实验室色谱测定可靠.常压下,用此气液平衡装置测定了苯-DMF二元系统的气液平衡数据,与文献2结果与讨论实验测定了常压下加入混合溶剂的环己烷-苯体系的气液平衡数据,萃取溶剂通过修正UNIFAC方程计算2.1萃取剂为单一萃取剂在常压下,改变混合溶剂(NMP和DMSO)的摩尔组成,得到对相同体积、体积比为1:2的环己烷-苯近沸点混合体系进行分离的一组实验数据,见图2.从图2中可以看出,平衡温度下,DMSO和NMP作为单一溶剂时得到环己烷对苯的相对挥发度α分别为2.52和2.25,远远高于不加溶剂时的相对挥发度1.01(由本实验装置测得),可知二者均为较优良的单一萃取剂;但若把二者混合作为溶剂,且不改变其他实验条件,发现该混合溶剂有一最佳组成,当DMSO和NMP摩尔比为1:1时,环己烷对苯的相对挥发度达到一极点值3.17.结果表明,二元混合溶剂比单一溶剂分离效果要好,这是因为对于体积比为2的苯-环己烷体系,DMSO的选择性比NMP要高,NMP的溶解性能比DMSO好.当2种溶剂混合在一起时,随着NMP浓度的不断提高,DMSO能更均匀地溶解分布于体系中,使高选择性更完全地体现出来,在相对挥发度极值处,该二元混合溶剂的综合性能(溶解性和选择性)达到最优.之后,随着NMP浓度的继续升高,DMSO的浓度下降,选择性亦随之下降,混合溶剂中起主要作用的物质变为NMP,最后,混合溶剂的性能趋于单一溶剂NMP的性能,而且作为简单溶剂,DMSO的性能要比NMP优良.2.2最佳萃取剂的确定在与2.1节相同的实验条件下,只改变混合溶剂组成为NMP和DMF,得到一组实验结果,如图3所示.从图3中可以看出,二元混合溶剂Ⅱ(NMP和DMF)同二元混合溶剂Ⅰ(NMP和DMSO)一样,当NMP和DMF摩尔组成接近1:1时,有一最佳萃取剂组成,分离效果也最好.原体系中被分离组分的相对挥发度α达到2.66,略低于二元混合溶剂Ⅰ(NMP+DMSO).而且在实验中还发现,作为单一溶剂,DMF沸点适宜,易回收,毒性小,价格低,综合性能远好于文献2.3混合溶剂dmso和dmf分离苯-环己烷体系图4是在常压下及其他实验条件基本相同情况下,改变苯-环己烷体系组成和混合溶剂(DMSO和DMF)摩尔组成所得的3条曲线,曲线1代表苯和环己烷体积比为3.0:1.0的溶液体系;曲线2代表苯和环己烷体积比为2.0:1.0的溶液体系;曲线3代表苯和环己烷体积比为1.5:1.0的溶液体系.从图4中可以发现,对于互溶体系,所选混合溶剂分离不同组成苯-环己烷体系时,混合溶剂均存在一最佳组成,该组成数值随分离体系组成不同而变化.综上所述,对于苯-环己烷体系的分离,混合溶剂(DMSO和DMF)是性能非常优秀的萃取剂,对于同一被分离物系,环己烷对苯的挥发度高出其他2种不同组分构成的混合溶剂许多,接近3.50.混合溶剂分离效果优于单一溶剂的原因是混合溶剂中的其中一组分(如DMSO)具有很高的选择性,但溶解性能不好;而另一组分(如DMF或NMP)既具有非常好的溶解能力,又具有较好的选择性;当2种组分组成混合溶剂时,便很好地解决了单一溶剂选择性与溶解性相矛盾的问题.3萃取剂的选择(1)二元混合溶剂比单一溶剂分离性能好.采用二元混合溶剂时,被分离组分之间相对挥发度比单一溶剂一般要高.二元混合溶剂很好地解决了单一溶剂常见的选择性与溶解性相矛盾的问题,使萃取剂的选择范围增大.(2)对于溶剂与被分离组分构成的均相互溶物系,二元溶剂存在最佳配比