间歇共沸精馏分离乙二醇单甲醚-水物系

李春利，张明禄，方 静，胡雨奇

（河北工业大学化工学院，天津 300130）

研究开发

间歇共沸精馏分离乙二醇单甲醚-水物系

李春利，张明禄，方 静，胡雨奇

（河北工业大学化工学院，天津 300130）

通过绘制乙二醇单甲醚-水-共沸剂的简捷剩余曲线，提出了以乙酸异丙酯作为间歇共沸精馏法分离乙二醇单甲醚-水物系的共沸剂。然后完成剩余曲线数据的测定实验，根据实验数据绘制乙二醇单甲醚-水-乙酸异丙酯三元物系的剩余曲线图，确定了乙二醇单甲醚-水共沸物系的分离工艺。并通过实验研究了共沸剂加入量对乙二醇单甲醚回收率的影响，从而确定了适宜的共沸剂配比：当共沸剂与原料中水的质量比为2～2.5时，乙二醇单甲醚的一次性收率在90%以上。

乙二醇单甲醚；共沸精馏；乙酸异丙酯；间歇精馏

乙二醇单甲醚（EM）又称甲基溶纤剂，是一种重要的化工原料，同时也是一种重要的有机溶剂，被广泛用做硝基纤维漆、清漆、瓷漆等涂料用溶剂和稀释剂[1-2]。在溶剂回收的过程中经常会遇到乙二醇单甲醚-水物系的分离问题。由于乙二醇单甲醚-水物系是一个完全互溶的二元共沸物系，必须采用特殊精馏的方式将其分离，而共沸精馏是一种很有效的分离方法。共沸精馏工艺的设计包括以下3个阶段：确定共沸剂；提出初步的共沸精馏工艺方案；优化并最终确定工艺方案。为了简化设计，可以通过绘制剩余曲线完成前两个步骤[3-5]。

本文作者首先研究了分离乙二醇单甲醚-水物系的共沸剂，并确定了适宜的共沸剂及共沸剂配比；然后完成了剩余曲线实验，并根据实验数据绘制了三元物系的剩余曲线；最终确定了分离乙二醇单甲醚-水共沸物系的步骤。

1 共沸剂的选择

共沸剂选取的好坏决定了共沸精馏的可行性和经济性。乙二醇单甲醚和水能够形成最低共沸物，而根据共沸剂的的选择原则：共沸剂应与乙二醇单甲醚-水物系组分之一形成一种新的二元最低共沸物，同时所选共沸剂要容易回收，具有良好的物性，经济性好[6-8]。

从实际共沸精馏工艺中常用的能与水形成非均相共沸物的共沸剂中初步选定了正己烷、环己烷、正庚烷和乙酸异丙酯作为分离乙二醇单甲醚-水物系的共沸剂，详见表1。

表1中，乙酸异丙酯仅与水形成共沸物，沸点为76.6 ℃；而正己烷、正庚烷以及环己烷都分别与乙二醇单甲醚和水形成新的共沸物。如图1所示，分别以正己烷、正庚烷、环己烷和乙酸异丙酯作为共沸剂，绘制了乙二醇单甲醚-水-共沸剂三元物系的简捷剩余曲线[9-13]。在 4个图中，乙二醇单甲醚都可以作为精馏区域Ⅰ的产品从塔釜采出。由于以乙酸异丙酯作为共沸剂时，精馏区域Ⅰ的面积最大，因此乙酸异丙酯作为共沸剂时的工艺操作弹性也最大。

由于乙酸异丙酯仅与水形成共沸物且二者易于分相，同时乙酸异丙酯与乙二醇单甲醚的沸点相差较大，有利于二者的分离，并且乙酸异丙酯作为共沸剂，工艺操作弹性大。因此，选定乙酸异丙酯作为分离乙二醇单甲醚-水物系的共沸剂。

2 剩余曲线测定及共沸剂配比优化试验

2.1 实验试剂及分析仪器

乙酸异丙酯、乙二醇单甲醚，分析纯，天津市光复精细化工研究所。采用北分瑞利分析仪器有限公司的GC3420型气相色谱仪分析试样组成，采用热导池检测器，使用 PEG-10M 固定相填充柱，固定相为101白色担体，载气为氢气，载气压力为0.2 MPa。操作条件：柱温100 ℃，气化室温度170 ℃，检测室温度160 ℃。

2.2 实验装置及方法

2.2.1 剩余曲线数据测定实验

通过测定共沸剂与共沸物系的剩余曲线数据，不但可以了解共沸剂对共沸物系的影响，而且可以进一步了解共沸剂对整个精馏过程的影响，并最终确定精馏实验的分离步骤。实验装置如图 2所示[14-15]。

图1 乙二醇单甲醚-水-共沸剂三元物系的剩余曲线

将不同配比的乙二醇单甲醚-水-乙酸异丙酯混合物加入到塔釜中，配比组成见表 2。塔釜使用电温煲进行加热，功率设为50 W，对塔釜中残液的组成每5 min分析一次，直到塔釜中的残夜蒸干为止，把实验测得的数据在三角形相图中作图，便可得到剩余曲线。实验步骤如下所述。

表1 乙二醇单甲醚与共沸剂的物性（101.325kPa）

图2 剩余曲线数据测定实验装置图

（1）实验前，测定所用试剂的保留时间，通过分析不同浓度标准溶液的组成，得到各种组分的相对校正因子。

（2）按表 2中的配比分别配置 6组体积为300 m L乙二醇单甲醚-水-共沸剂的混合溶液，配置完成后，依次对其进行测定。

表2 剩余曲线数据测定实验的原料配比

（3）将配置好的溶液加入到塔釜中，加热沸腾以后，记录气、液相的温度，并每隔一段时间取釜样用气相色谱分析其组成。

2.2.2 共沸剂配比优化实验

实验设备塔体为φ40 mm×2000 mm的填料塔，填料为φ2.5 mm×2.5 mm不锈钢θ环填料，塔身用伴热带保温。塔釜为2000 m L四口烧瓶，采用接触调压器控制的电炉丝加热，功率为0～1000 W，塔顶冷凝液体采用摆动式回流比控制器操作，实验装置如图3所示[16-17]。塔釜初始投入1000 m L乙二醇单甲醚-水的原料液，共沸剂按共沸剂与原料中水的质量比（即共沸剂配比）为1.5～3加入。具体的实验步骤如下所述。

（1）先将分相罐中注满乙酸异丙酯，再将剩余的乙酸异丙酯和1000 m L乙二醇单甲醚与水的混合物一起放入到塔釜中。

（2）加热塔釜，塔顶采用冷却水冷凝，全采出操作，分相罐上层富油相从塔顶回流，下层富水相不断导出，当塔顶温度接近乙酸异丙酯的沸点时，塔内的水分含量已经达到要求，此时按一定回流比采出过渡馏分（乙酸异丙酯和少量乙二醇单甲醚）。

图3 乙二醇单甲醚-水物系分离实验装置示意图

（3）当塔顶温度达到乙二醇单甲醚的沸点时，连续采样并用气相色谱仪测定塔顶产品组成，当乙二醇单甲醚的质量分数达到 99.5%以上时，开始采出产品。

3 结果与讨论

3.1 剩余曲线的绘制

根据剩余曲线测定实验所得数据绘制三角形相图，得到乙二醇单甲醚-水-乙酸异丙酯三元物系的剩余曲线图，如图4所示，图4中的剩余曲线图被精馏边界线（虚线）分为精馏区域Ⅰ和精馏区域Ⅱ。其中，如果分别在两个区域进行精馏操作，塔顶均得到乙酸异丙酯-水共沸物；但在精馏区域Ⅰ中进行精馏，塔釜得到乙二醇单甲醚；而在精馏区域Ⅱ中进行精馏，最终得到水。

图4 乙二醇单甲醚-水-乙酸异丙酯三元物系剩余曲线

图5 乙二醇单甲醚-水物系共沸精馏分离流程图

本实验最终选定了原料配比在Ⅰ精馏区域，具体的工艺流程如图 5所示。确定的乙二醇单甲醚-水共沸物系的分离步骤如下所述。

（1）共沸精馏。共沸精馏塔塔顶馏出乙酸异丙酯-水共沸物，经分相罐分相后，富油相返回塔内；富水相导入储罐Ⅰ中，经过简单蒸馏和分相后得到较纯的乙酸异丙酯。

（2）回收共沸剂。水分脱除后，继续精馏得到乙酸异丙酯（含少量的乙二醇单甲醚），存入储罐Ⅱ中，作为下一批物料的共沸剂。

（3）精制产品。继续对塔内的粗产品进行精馏得到高纯度的乙二醇单甲醚，存入成品罐Ⅲ中。

3.2 共沸剂的配比优化

为确定适宜的共沸剂配比，本研究在共沸剂配比实验中结合工厂实际情况，选择了共沸剂配比分别为1.5、1.75、2、2.25、2.5和3来研究适宜的共沸剂加入量，乙二醇单甲醚的收率（即一次性收率）与共沸剂配比的关系见图6。

图6 乙二醇单甲醚的收率与共沸剂配比的关系

由图6可以看出，乙二醇单甲醚的收率随乙酸异丙酯加入量的增加先升高并趋于稳定而后降低，这是因为随着乙酸异丙酯加入量的增加，水能够有效地被乙酸异丙酯从塔顶夹带出去，减少了水分的残留；但是当乙酸异丙酯的加入量太大时，将会有一部分乙酸异丙酯残留在塔釜中，增加了塔顶采出的过渡馏分的量，造成乙二醇单甲醚的收率降低；当共沸剂配比为2～2.5时，乙二醇单甲醚的一次性收率能达到90%以上。

4 结 论

（1）通过简捷剩余曲线法选定了乙酸异丙酯作为间歇共沸精馏法分离乙二醇单甲醚-水物系的共沸剂。

（2）通过实验绘制了乙二醇单甲醚-水-乙酸异丙酯三元物系的剩余曲线，确定了乙二醇单甲醚-水共沸物系的分离步骤：首先共沸精馏塔塔顶馏出乙酸异丙酯和水的共沸物，并进入分相罐，分相后富油相从塔顶回流回塔内；然后采出过渡馏分（乙酸异丙酯和少量乙二醇单甲醚）；最后馏出高纯度的乙二醇单甲醚。储罐Ⅰ中的富水相经简单蒸馏和分相后得到较纯的乙酸异丙酯。

（3）通过实验绘制了乙二醇单甲醚的收率与乙酸异丙酯和水的质量比的关系曲线，确定了间歇共沸精馏分离乙二醇单甲醚和水的工艺，共沸剂配比为乙酸异丙酯和原料中水的质量比在 2～2.5之间。在这个范围内，乙二醇单甲醚的一次性收率在90%以上。

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Separation of 2-methoxyethanol-water m ixture by batch azeotropic distillation

LI Chunli，ZHANG Minglu，FANG Jing，HU Yuqi
（School of Chem ical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

According to the short-cut residue curves for the ternary system of 2-methoxyethanol-waterentrainers，isopropyl acetate was chosen as an entrainer for the separation of 2-methoxyethanol -water mixture by batch azeotropic distillation. Then the residue curve determ ination experiment was completed and the residue curves for the ternary system of 2-methoxyethanol-water-isopropyl acetate were plotted based on the experiment data. A batch azeotropic distillation process was proposed for the separation of 2-methoxyethanol-water m ixture. The effect of the amount of entrainer on the yield of 2-methoxyethanol was studied and the proper ratio of entrainer to feed was obtained. When w(isopropyl acetate)∶w(water)=2～2.5，especially，one-time yield of 2-methoxyethanol was more than 90%.

2-methoxyethanol；azeotropic distillation；isopropyl acetate；batch distillation

TQ 028.13

A

1000-6613（2012）06-1220-05

2011-11-22；修改稿日期：2011-12-02。

李春利（1963—），男，教授，博士生导师，从事新型分离工艺过程研究。E-mail ctstlcl@163.com。联系人：方静，副教授。

E-mail ctstfj@hebut.edu.cn。