楊 帥,馮 明 ,程偉琴 ,魯 鵬 ,霍二福
(河南省化工研究所有限責(zé)任公司 ,河南 鄭州 450052)
氯乙酸甲酯是一種重要的有機(jī)合成中間體,常用作黏合劑、有機(jī)溶劑、染料和表面活性劑的原料,同時在農(nóng)藥和醫(yī)藥行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前工業(yè)上普遍采用氯乙酸和甲醇酯化反應(yīng)制備氯乙酸甲酯的工藝,該酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng),為促進(jìn)反應(yīng)的正向進(jìn)行,通過將生成的氯乙酸甲酯和水蒸餾出來或者加入過量的甲醇,因此在氯乙酸甲酯成品中,會有一定量的甲醇、水和氯乙酸,需要進(jìn)行進(jìn)一步的精制[3-5]。
通常對某一組分進(jìn)行分離的方法有減壓精餾法、恒沸精餾法、分子篩吸附分離法和加合物分離法等,由于氯乙酸甲酯與甲醇、水的沸點差在20 ℃以上,用精餾的方式即可將氯乙酸甲酯進(jìn)行分離[6-7]。目前氯乙酸甲酯的精餾工藝是將粗氯乙酸甲酯投入到精餾釜中,通過間歇精餾除去水和甲醇,同時會損失一定量的氯乙酸甲酯,但該精餾工藝分離前餾分時間較長,部分氯乙酸甲酯隨著前餾分流出,導(dǎo)致氯乙酸甲酯成品含量較低,為99.42%(合格標(biāo)準(zhǔn)為99.5%),氯乙酸甲酯回收率不高,為50.33%[8-9]。因此,對目前的精餾裝置進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)并優(yōu)化精餾工藝是十分必要的。
實驗裝置如圖1所示。實驗裝置主要由加熱系統(tǒng)、精餾段、冷凝系統(tǒng)、減壓部分、產(chǎn)品采出部分和回流部分組成。
精餾塔所用主要設(shè)備:塔體Φ30 mm×900 mm,內(nèi)裝填料為Φ3 mm玻璃彈簧,填料層高度500 mm,經(jīng)計算理論塔板數(shù)為7塊,其他配件規(guī)格如下:燒瓶5 000 mL,1個,燒瓶與塔節(jié)連接口,進(jìn)樣口;塔釜測溫裝置,1個,測量塔釜溫度;塔頭,1個,外回流塔頭;真空閥,不銹鋼球閥,若干,用于真空系統(tǒng)的控制;真空泵,2XZ-4C,1個,維持系統(tǒng)真空度;冷凝系統(tǒng),DL30-700,1個,循環(huán)冷卻器;加熱裝置,ZNCL-T5000 ML,1個,智能磁力加熱套。
圖1 減壓精餾實驗裝置圖
本實驗裝置在原精餾實驗裝置的基礎(chǔ)上新增了裝置圖中虛線部分,使隨前餾分流出的氯乙酸甲酯在液液分離器分離后重新流入燒瓶,增加氯乙酸甲酯的回收率,減少資源浪費。氯乙酸甲酯粗品:蘭博爾開封科技有限公司。
減壓精餾分離氯乙酸甲酯使用氯乙酸甲酯粗品,通過改變操作壓力和回流比研究其對減壓精餾實驗的影響。首先,在回流比2∶1的條件下,考察了不同操作壓力對減壓精餾的影響;其次,在合適操作壓力下,考察了不同回流比對減壓精餾的影響。具體實驗操作步驟為:①量取適量的氯乙酸甲酯加入到燒瓶中,并檢查裝置的氣密性;②開啟真空泵,使真空度穩(wěn)定在合適范圍,打開冷凝水,打開電熱套加熱;③開啟間歇全回流精餾,當(dāng)塔頂溫度穩(wěn)定在50 ℃時,打開閥門2,前餾分通過儲液罐1進(jìn)入液液分離器中,待油相氯乙酸甲酯與水相完全分離后,打開閥門4,水相進(jìn)入儲液罐2,關(guān)閉閥門4,打開3,使油相氯乙酸甲酯回流至燒瓶中;④當(dāng)塔頂溫度升至70 ℃,前餾分完全分離,關(guān)閉閥門2,打開閥門1,調(diào)節(jié)回流比控制器至所需回流比,收集氯乙酸甲酯;⑤當(dāng)溫度升至85 ℃時,停止加熱,待燒瓶中溫度降至常溫,取出釜中殘液。
氯乙酸甲酯回收率的計算公式為:
η=[(m×w)/(m0×w0)]×100%
其中,m、m0分別為回收產(chǎn)品和粗酯質(zhì)量,g;w、w0分別為回收產(chǎn)品、粗酯中氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。
塔液組成為蘭博爾開封科技有限公司提供,溶液呈淡黃色,經(jīng)適當(dāng)處理后,進(jìn)行GC-MS處理,其結(jié)果如表1所示。
表1 塔液組成成分及物性分析表
采用SHIMADZU GCMS-QP2010 Ultra進(jìn)行GC-MS分析,色譜柱為HP-5毛細(xì)管色譜柱。氣相色譜條件:檢測器溫度180 ℃,進(jìn)樣口溫度180 ℃,柱溫40 ℃保持2 min,以5 ℃/min的升溫速率升至140 ℃,140 ℃保持2 min,分流比30∶1,進(jìn)樣體積1 μL。
壓力(本文均指絕對壓力)是減壓精餾過程中的重要影響因素之一。壓力大小不僅會影響塔頂、塔釜溫度,而且影響塔內(nèi)各組分沸點。當(dāng)壓力較小時,輕組分低溫下即可分離,有利于提高氯乙酸甲酯的收率;當(dāng)壓力較大時,收集產(chǎn)品的沸點提高,產(chǎn)品收率降低,塔釜能耗增加。
在采出階段回流比為2∶1的情況下,本實驗考察了不同壓力值下對減壓精餾過程的影響。對塔釜溫度、塔頂溫度的影響如圖2所示,對氯乙酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、收率的影響如圖3所示。
圖2 壓力對塔釜、塔頂平均溫度的影響
由圖2可知,隨著壓力的升高,塔頂溫度緩慢上升,但總體升溫幅度不大,這說明循環(huán)冷卻水能有效起到降溫效果,冷凝系統(tǒng)工作正常;塔釜溫度有明顯的升高,這表明減壓能夠降低體系的操作溫度,實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物氯乙酸甲酯在較低溫度下的分離。但壓力越低,能源投入越大,應(yīng)平衡減壓操作所帶來的收益與減壓操作增加的成本,選擇合適的操作壓力。
圖3 壓力對氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、收率的影響
由圖3可知,隨著壓力的升高,氯乙酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之降低,在2~12 kPa的壓力范圍內(nèi),質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大,均保持在98.5%以上,在壓力升至15 kPa時,質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至97.5%;氯乙酸甲酯收率呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。這是因為當(dāng)壓力為15 kPa時,塔釜平均溫度較高,氯乙酸甲酯發(fā)生水解,導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)、收率下降。在滿足氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的前提下,將操作壓力選擇為12 kPa。
回流比是影響精餾塔分離效果的重要因素。一般而言,增大回流比,分離效果提升,但冷凝器、再沸器負(fù)荷增大,操作費用增加,因此回流比的大小涉及經(jīng)濟(jì)問題。在操作壓力為12 kPa的條件下,考察了回流比分別為1∶10、1∶8、1∶2、1∶1、2∶1和3∶1的條件下,回流比對減壓間歇精餾的影響,結(jié)果如圖4所示。
圖4 回流比對氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、收率的影響
由圖4可知,隨著回流比的增大,氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、收率隨之增加,在回收比為3∶1時,氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.85%,滿足產(chǎn)品中氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)>99.5%的預(yù)期目標(biāo)。因此,回流比選擇3∶1。
在操作壓力為12 kPa,回流比為3∶1的條件下,考察了精餾塔塔頂溫度、塔釜溫度隨精餾時間的變化規(guī)律,結(jié)果如圖5所示。
圖5 塔頂、塔釜溫度隨時間變化規(guī)律
由圖5可以看出,塔頂溫度隨著時間變化波動較小,始終維持在30~40 ℃;塔釜溫度隨時間變化幅度較大,塔釜溫度在90 min之前,由25 ℃迅速升溫至70 ℃,在90~360 min溫度緩慢上升,在360 min之后,升溫速率又迅速提升。
接著考察了塔頂組成隨時間的變化規(guī)律,結(jié)果如圖6所示。
圖6 氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化規(guī)律
由圖6可知,在0~90 min,氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速提高,由零升至99.54%,在90 min之后,氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢升高,最終達(dá)到99.85%,符合廠家生產(chǎn)要求。與塔釜溫度隨時間變化關(guān)系圖對比分析可知,由于甲醇和水沸點較低,在精餾前期,氯乙酸甲酯粗品中的甲醇和水最先從塔頂采出,隨著溫度的進(jìn)一步升高,產(chǎn)品氯乙酸甲酯逐漸蒸出,在360 min之后,燒瓶中剩余為二氯乙酸甲酯。綜合對比塔頂、塔釜溫度和組成的關(guān)系,可知本實驗前90 min為前餾分端,90~360 min之后為產(chǎn)品階段。
綜合上述實驗結(jié)果,可知減壓間歇精餾的最佳工藝條件為:操作壓力為12 kPa,回流比為3∶1。為了驗證本實驗的穩(wěn)定性,進(jìn)行3組重復(fù)實驗,實驗結(jié)果見表3。
表3 重復(fù)實驗結(jié)果
從表3可以看出,本實驗具有良好的穩(wěn)定性,在最佳工藝條件下,氯乙酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為99.84%,氯乙酸甲酯收率平均值為77.42%,符合工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求。
采用減壓間歇精餾的方法,降低了精餾過程中的操作溫度,并實現(xiàn)了氯乙酸甲酯的分離回收。當(dāng)操作壓力為12 kPa,回流比為3∶1時,氯乙酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.84%,氯乙酸甲酯的收率77.42%,兩者均滿足生產(chǎn)目標(biāo)。