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萃取精馏技术的原理及在实际中的应用

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发表于 2021-10-26 15:58:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

萃取精馏是一种现代化工技术,属于分离混合物的一种工艺,这种工艺技术应用广泛。萃取精馏技术是通过在物料中加入溶剂,使物料中的不同元素互相分离出来,从而达到提取物质或者提高纯度的目的。
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萃取精馏的原理

  在基本有机化工生产中,经常会遇到组分的相对挥发度比较接近,组分之间也存在形成共沸物的可能性。

  若采用普通精馏的方法进行分离,将很困难,或者不可能。对于这类物系,可以采用特殊精馏方法,向被分离物系中加入第三种组分,改变被分离组分的活度系数,增加组分之间的相对挥发度,达到分离的目的。

  如果加入的溶剂与原系统中的一些轻组分形成最低共沸物,溶剂与轻组分将以共沸物形式从塔顶蒸出,塔底得到重组分,这种操作称为共沸精馏;如果加入的溶剂不与原系统中的任一组分形成共沸物,其沸点又较任一组分的沸点高,溶剂与重组分将随釜液离开精馏塔,塔顶得到轻组分,这种操作称为萃取精馏。

萃取精馏溶剂的选择

  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:

  1、选择性:溶剂的加人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;

  2、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;

  3、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。

  目前萃取精馏溶剂筛选的方法有实验法、数据库查询法、经验值方法、计算机辅助分子设计法用实验法筛选溶剂是目前应用最广的方法,可以取得很好的结果,但是实验耗费较大,实验周期较长。实验法有直接法、沸点仪法、色谱法、气提法等。实际应用过程中往往需要几种方法结合使用,以缩短接近目标溶剂的时间。

  溶剂筛选的一般过程为:经验分析、理论指导与计算机辅助设计、实验验证等。若文献资料和数据不全,则只有采取最基本的实验方法,或者采取颇具应用前景的计算机优化方法以寻求最佳溶剂。

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。

  1、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人。

  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,可使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。

  2、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。

  间歇萃取精馏的操作步骤如下:不加溶剂进行全回流操作;加溶剂进行全回流操作;加溶剂进行有限回流比操作;有限回流操作,停止向萃取精馏塔加溶剂。

  恒塔顶组成操作包括3种方法:①溶剂的进料速率保持不变,改变回流比;②保持回流比恒定,改变溶剂的进料速率,此方法在理论上是可行的,但在实践中却难以实现;③同时改变回流比和溶剂进料速率。

萃取精馏在实际中应用

  化学及石油化工等领域中,萃取精馏主要用于两个方面:一是沸点相近的烃的分离,如最典型的丁烯与丁二烯的分离,两者沸点相差只有2℃,相对挥发度为1.03;二是共沸物的分离,如甲醇-丙酮、乙醇-乙酸乙酯以及乙醇和醋酸等有机物水溶液。

  萃取精馏的优点是增加了被分离组分之间的相对挥发度,使难分离物系的分离能够进行;缺点是加入的萃取剂量较大,增大了分离过程的能耗。因此,对萃取精馏进行改进,对强化分离过程具有重要意义。

  1、芳烃分离过程

  在芳烃回收方面,液液萃取技术已经有很长的使用历史,液液萃取技术基于组分的极性,来影响组分间的分离,而对于沸点的影响较小。因为受到溶剂选择的限制,对于较宽沸点混合料的分离,采用萃取精馏很难实现,早先它只能对窄沸点物料使用,如采用N-甲基吡咯烷酮或N-甲酰吗啉作为溶剂进行的C6和C7物料的分离过程。

  然而,随着萃取精馏技术的发展,采用混合溶剂进行的萃取精馏解决了以上问题。美国GTC技术公司的GT-BTX技术具体体现了现代萃取精馏技术在混合芳烃(苯、甲苯、二甲苯)分离过程中的应用。

  与传统混合芳烃分离过程相比,GT-BTX工艺具有投资成本低、所需设备单元数少、溶剂性能优异、产品被污染的风险小、产品回收率高、纯度高,同时能量消耗低、操作弹性大。经过工业化(120万t/a)技术经济指标的考核,苯和甲苯的纯度分别达到99.995%和99.99%。总芳烃回收率高于99.9%,溶剂中抽余液和萃取液的质量分数小于10-6,每千克进料的能量消耗为798kJ。

  2、催化裂化汽油的脱硫

  催化裂化(FCC)汽油中所含的硫化物中50%~60%(质量分数)是噻吩及其烷基衍生物,其余为硫醇及其他硫化物。在催化裂化条件下噻吩化合物稳定性较强,国外公司普遍采用加氢脱硫方法,为了进一步降低汽油中的硫含量,目前采取的措施是提高加氢处理能力。加氢有利于进行燃料中脱硫处理,但是它存在运行费用高、深度加氢将降低汽油辛烷值等缺点。

  根据油品所含硫化物的特点,目前普遍采用催化氧化、络合法、催化吸附、生物法、溶剂萃取和碱洗法等进行油品中硫化物脱除。在这些方法中,萃取精馏技术具有其自身优势,在处理FCC汽油时,该工艺技术采用一种可以改变进料中非芳烃组分(含烯烃)和噻吩化合物相对挥发度的溶剂,在萃取噻吩化合物的同时,也萃取其他芳烃硫化物(由于这些化合物的强极性),而不含烯烃的组分进入加氢系统进行处理。采用萃取精馏和碱洗法,具有无辛烷值损失、加氢负荷低、可处理较宽范围硫含量的裂解料、操作弹性大的特点。

  通过在加氢前加入萃取精馏,解决了传统工艺中存在的问题,芳烃中的噻吩硫化物被高选择性的溶剂萃取,减少了抽余液中的烯烃含量,低硫、高烯烃的抽余液可以直接与含10×10-6噻吩硫的汽油掺混。而高含量的硫醇在进料或抽余液中可以采用传统的碱洗方式进行处理,这样总的硫含量很容易降低到(5~110)×10-6,同时不用降低辛烷值。

  3、裂解汽油回收和苯乙烯提纯

  裂解汽油副产品中含有丰富的石油化工化合物,如果对其进行提纯并加以充分利用,将产生相当大的经济效益。由于这些组分沸点接近,形成了络合物,采用传统分离方法很难将其分离。而萃取精馏技术的发展为其提供了可能,萃取精馏技术通常用于从裂解汽油的轻组分中提纯丁二烯和异戊二烯,实际上也可以用于从C8料中有效分离苯乙烯。

  传统的裂解过程存在一个加氢工艺步骤,该步骤中一方面存在结焦问题,同时,反应也需要大量的氢源。近年研究表明,苯乙烯是结焦的根源之一,降低苯乙烯含量是解决结焦较好的方法。

  采用混合溶剂进行的萃取精馏技术,可以以较小的成本实现苯乙烯的提取,因此,萃取精馏技术应用一方面使得苯乙烯从燃料产品转化为石化产品,价值得到提升。另外,加氢处理氢消耗减少,结焦问题得到解决。


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