蘇義意 ， 吳淑晶 ， 沙 洲

(上海工程技術大學 化學化工學院 ， 上海 201620)

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溶劑加鹽對乙醇—水分離效果的研究

蘇義意 ， 吳淑晶 ， 沙 洲

(上海工程技術大學 化學化工學院 ， 上海 201620)

無水乙醇是指純度為99.5%以上的乙醇，乙醇在水中形成的是一種二元共沸體系，故不能用一般的方法制取無水乙醇。工業(yè)中比較有效果的兩種分離方法：溶鹽精餾和萃取精餾，兩種方法都有各自的缺點，采用加鹽萃取精餾的方法，研究新型萃取劑丙三醇+氯化鋅對乙醇—水體系分離的影響。

無水乙醇 ； 混合萃取劑 ； 加鹽萃取精餾

無水乙醇作為一種重要的基礎化工原料，在化工、能源和醫(yī)藥等領域有著非常廣泛的應用，尤其近年來生物燃料乙醇作為車用燃料的應用受到廣泛重視，無水乙醇能夠代替汽油助燃劑，使燃料能夠充分燃燒，減少汽車尾氣中的CO及含硫氧化物[1]。目前工業(yè)上的許多制取無水乙醇的方法，均有各自的不足，其中效果較好的兩種分別是采用固體鹽作為分離劑進行分離的溶鹽精餾法和加入萃取劑進行分離的萃取精餾法。而本實驗所用到的加鹽萃取精餾的方法利用溶鹽萃取劑效果好的優(yōu)點，改進萃取精餾溶劑效果差的缺點，利用萃取精餾溶劑有液體回收循環(huán)方便，工業(yè)上易于實現(xiàn)的優(yōu)點，溶鹽精餾時鹽固體輸送困難，在溶劑中加鹽可改進溶劑效果，減少溶劑比，使用十分方便，分離效果明顯。

1 實驗研究

1.1 實驗儀器及藥品

①本次實驗使用天津市鵬翔科技有限公司生產的填料精餾塔，真空計為上海家君真空儀表制造有限公司制造的U型真空計。②溶鹽氯化鋅為上海琳帝化有限公司生產，分析純AR。③溶劑丙三醇為天津市鼎盛鑫化工有限公司生產，分析純AR。

1.2 鹽的選取

往弱電解質的溶液中加入與弱電解質沒有相同離子的強電解質時，使弱電解質分子濃度減小，離子濃度相應增大，解離度增大，這種效應稱為鹽效應。向乙醇水溶液中加入易電離的離子鹽，會在水中電離形成離子場，此時介電常數(shù)較低的乙醇分子被介電常數(shù)較高的水分子從離子附近趕走，從而改變了各組分的活度系數(shù)，提高了乙醇的分壓，所以乙醇的相對揮發(fā)度增大，易于分離。鹽效應隨著離子的價態(tài)升高而增強，因此本實驗選用易電離的離子鹽氯化鋅[2]。

1.3 溶劑的選取

作為溶劑需要有良好的選擇性，加入溶液后能夠按照分離要求發(fā)揮作用；同時還要有良好的溶解度，無毒無害，價格合適。目前，國內外普遍運用乙二醇作為萃取劑，乙醇的介電常數(shù)為24.30，水的介電常數(shù)為78.30，乙二醇和丙三醇的介電常數(shù)分別是37.70和56.50，可以發(fā)現(xiàn)乙二醇與丙三醇的介電常數(shù)介于乙醇和水之間。根據(jù)相似相溶原理，他們對水的親和力均要大于乙醇，因此乙二醇和甘油能夠破壞乙醇—水體系的恒沸點，提高乙醇的揮發(fā)度[3]。同時甘油的介電常數(shù)要大于乙二醇，所以其對水的親和力更大，也就是說乙醇在丙三醇溶液中的揮發(fā)度大于它在乙二醇中的揮發(fā)度，而且丙三醇更為廉價，所以本次實驗選用丙三醇作為溶劑。

1.4 回流比的確定

回流比是指L/D(L，回流液；D，餾出液)，理論上增大回流比可以提高精餾效率，增大塔頂乙醇濃度，但回流比過大又會增加塔頂?shù)臒嶝摵桑虼吮敬螌嶒炦x取1∶1、2.5∶1、3∶1三個回流比進行研究，考察其對塔頂出料乙醇濃度的影響[4]。

1.5 溶劑中鹽含量的確定

溶鹽中的鹽效應也會隨著體系中鹽濃度的增大而增大，因此采用不同的鹽濃度進行探究很有必要，本次實驗過程中選用三種鹽含量(每100 mL含7、9、11 g)探究其對乙醇與水分離的影響。

1.6 溶劑比的確定

溶劑比是指所用溶劑量與進料乙醇量的比值，在萃取精餾制取無水乙醇的工藝過程中，存在溶劑比較大的問題，可見溶劑比的不同必然會對此次實驗造成影響，故選擇0.6∶1、0.8∶1、1∶1、1.2∶1、1.4∶1五種溶劑比進行實驗。

2 幾點說明

①為了實驗數(shù)據(jù)的準確性，增設了一組空白對照實驗，即在不加入鹽和溶劑的情況下探究乙醇與水分離的效果。②考慮到本次實驗選用的鹽是氯化鋅，鹽效應比較明顯，故本次實驗過程通過將鹽加入到塔底再沸器中的方式進行實驗[5]。③在不加入丙三醇的情況下，通過改變進料乙醇的濃度、回流比、含鹽量等參數(shù)，進行不同的塔頂出料乙醇濃度實驗。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 溶劑比對乙醇—水分離的影響

在進料乙醇濃度80%，100 mL溶液鹽含量9 g、回流比為2.5∶1的情況下，不同溶劑比得到的數(shù)據(jù)整理見圖1。

圖1 不同溶劑比對乙醇—水分離效果的影響

由圖1可知，隨著溶劑比的增加塔頂出料乙醇的含水量逐漸減小，但在溶劑比>1.2后，曲線趨于平穩(wěn)，即可認為1.2為本實驗最理想的溶劑比。

3.2 鹽含量對乙醇—水分離的影響

在進料濃度為90%，溶劑比為1.2、回流比為2.5∶1的情況下，整理不同鹽含量得到的實驗數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 鹽量對乙醇—水分離效果的影響

從圖2可以看出，隨著溶液中鹽含量的增加，塔頂出乙醇的含水量隨之減少，故在此次實驗中100 mL溶液中鹽含量為11 g時分離效果最佳，同時也驗證了鹽效應隨鹽濃度的增加而增強的理論[6]。

3.3 進料乙醇濃度對乙醇—水分離的影響

進料乙醇的濃度必然會影響到塔頂出料乙醇的濃度，因此本次實驗在選擇70%、80%、90%三種不同的進料濃度，以此來探究其對實驗結果的影響。以80%進料乙醇為例，在其他分離條件最佳時得到的數(shù)據(jù)，整理如圖3所示。

圖3 進料濃度對塔頂乙醇濃度的影響

由圖3可以看出，隨著進料乙醇濃度的升高，塔頂?shù)漠a品乙醇濃度也呈上升的趨勢。

3.4 回流比對乙醇—水分離的影響

進料乙醇濃度分別為70%、80%、90%，其他條件最佳時(即溶劑比為1.2，每100 mL溶液鹽含量為11 g)，整理在1∶1、2.5∶1、3∶1三種不同操作回流比的條件下得到的數(shù)據(jù)，繪制成圖4。

圖4 回流比對乙醇—水分離的影響

由圖4所示，隨著操作回流比的增加，塔頂產品乙醇濃度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，在回流比2.5∶1時達到最高點，滿足回流比過大引起塔頂?shù)臒嶝摵稍龃?，降低分離的效率。同時也符合隨進料濃度升高產品乙醇濃度升高的規(guī)律，故本實驗的最佳回流比為2.5∶1。

3.5 ZnCl2+丙三醇混合萃取劑對乙醇水—分離的影響

對比普通精餾(不加鹽和溶劑)、僅加鹽ZnCl2以及加入ZnCl2+丙三醇三種操作方法在不同條件下的實驗數(shù)據(jù)，從而得到該混合萃取劑對于乙醇—水共沸體系分離的具體效果。繪制出三種操作方法在不同進料濃度及不同回流比(其他條件最佳：溶劑比為1.2，每100 mL溶液鹽含量為11 g的結果，見圖5～7。

圖5 進料乙醇濃度為70%時，混合萃取劑對分離效果的影響

分析圖5～7，可以觀察到利用加鹽萃取精餾得到的產品乙醇濃度明顯比溶鹽精餾及普通精餾的產品濃度高，尤其在原料乙醇濃度為90%、回流比為2.5∶1操作條件下，得到產品濃度最高99.5%，符合無水乙醇的濃度要求。因此證明ZnCl2+丙三醇對乙醇—水體系的分離有著很好的效果。

圖6 進料乙醇濃度為80%時，混合萃取劑對分離效果的影響

圖7 進料乙醇濃度為70%時，混合萃取劑對分離效果的影響

4 結論

結合對本次實驗完整數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結論：①最佳溶劑比為1.2，最佳回流比2.5∶1，每100 mL溶液含鹽量最佳為11 g。②單一的加溶鹽精餾操作對促進乙醇—水體系的分離有一定的效果，但達不到無水乙醇濃度的要求，而本次實驗過程中利用的ZnCl2+丙三醇對無水乙醇的制取有很好的效果，可以達到要求。③加丙三醇、丙三醇+氯化鋅對分離效果、使用效率進行比較，得出了一套最優(yōu)的實驗操作參數(shù)，可以作為日后無水乙醇制備的實驗依據(jù)。

[1] 王成林,吳淑晶,王遠強,等.工業(yè)化制備無水乙醇的研究進展[J].河南化工,2013,30(3):21-23.

[2] 任洪東.鹽效分離中鹽的選擇及加鹽萃取的研究[D].天津:天津大學,2003.

[3] 譚 倪.制取無水乙醇的兩種方法的研究及比較[J].湘南學院學報,1997(2):44-47.

[4] 李秀芹.加鹽萃取精餾制備無水乙醇的研究[J].北京服裝學院學報：自然科學版,1990(2):66-74.

[5] 方 凱,吳淑晶,FangKai,等.鹽效應制取無水乙醇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].廣東化工,2014,41(7):97-97.

[6] 段占庭,雷良恒,周榮琪,等.用加鹽萃取精餾法制取無水乙醇[J].化學試劑,1979(2):57-60.

Study on Separation Effect of Ethanol-water by Solvent Salt

SU Yiyi , WU Shujing , SHA Zhou

(College of Chemistry and Chemical Engineering , Shanghai University of Engineering Science , Shanghai 201620 , China)

Absolute ethanol is purity of ethanol more than 99.5%,ethanol is a kind of two-component azeotropic system in water,it can not be used in the general method of ethanol production.There are two effective methods of separation in industry，salt distillation and extractive distillation，that all have their own shortcomings. The effect of the new extractant，glycerol and zinc chloride，on the separation of ethanol-water system is studied by extractive distillation with salt.

absolute ethanol ； mixed extractant ； extractive distillation with salt

2017-02-04

上海工程技術大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目資助(cs1604010)

蘇義意(1997-)，男，本科在讀，研究方向為化學工程與工藝，電話：13681628038，E-mail:18321261825@163.com。

TQ028.32

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1003-3467(2017)05-0018-03