萃取精馏和精馏集成分离DMF--甲苯--水混合液的研究.docx

萃取精馏和精馏集成分离DMF--甲苯--水混合液的研究
一.背景介绍
随着化学工业的逐渐发展，对于高效、绿色和经济的化学方法越来越需要。在化工行业中，分离技术是一个十分重要的环节。萃取精馏技术（extractivedistillation）具有其它传统分离方法不具备的优势。在现代化学工业中，该技术广泛应用于石油化工、精细化工、食品、医药等行业中。这是因为萃取精馏技术可在大气压下实现分离，同时可以节省原材料和工艺能耗，从而降低生产成本。
N，N-二甲基甲酰胺（DMF）是一种强极性溶剂，可以与许多有机物和无机物发生溶解和反应。甲苯可以与DMF形成二元混合物，其物理性质也有很大区别。然而，DMF和甲苯的沸点差异较小，这使得它们之间的分离较为困难。因此，研究如何快速有效地分离DMF与甲苯的混合物，极为重要。
本文旨在研究萃取精馏和精馏集成分离DMF-甲苯的混合物，并对其进行比较和分析，为化学工业的高效、绿色、经济发展提供支持。
二.萃取精馏分离DMF-甲苯-水混合液
1.萃取精馏原理
萃取精馏是一种非常常见的分离技术，其基本原理是在精馏塔中加入一种助剂，从而形成一个新的液相，这种液相可以提高混合物成分之间的相对挥发度，使得它们能够在更低的温度下分离。萃取精馏被广泛应用于混合物分离中，特别是在石油化学和有机合成领域中。
2.萃取精馏过程
在萃取精馏中，一般使用的助剂是高沸点的低极性物质。这种物质将提高溶液的相对挥发度，从而降低了分离所需的温度。具体来说，助剂的添加会导致多组分混合物的沸点分布变得更为分散，从而使得它们在精馏塔中分离。因此，在萃取精馏过程中，助剂的选择和数量非常重要。一般来说，助剂需要具有以下特性：高沸点，低极性，与混合物中的物质有一定的相容性。
在本文中，我们采用丙酮和异丙醇的混合物作为助剂，以分离DMF、甲苯和水混合物。在分离过程中，丙酮和异丙醇会与DMF形成新的液相，从而使得DMF的相对挥发度提高，从而可以在较低的温度下分离。同时，甲苯和水也可以分离出来，从而实现了DMF-甲苯-水混合物的有效分离。
3.萃取精馏操作条件
本实验中，采用的萃取精馏过程采用了以下操作条件：
1)精馏塔高度为0.79m
2)物料进料点在精馏塔中部，离底部高度为0.48m
3)以氮气为气源，进入精馏塔，氮气流量为20mL/min
4)辅助剂的质量比为1：1，丙酮和异丙醇的质量比为1：1
5)精馏塔内维持的压力为1atm
6)前馏液和后馏液的温度分别为81°C和91°C
7)操作过程中控制塔顶温度不超过87°C
三.精馏集成分离DMF-甲苯-水混合物
1.精馏集成原理
精馏集成是指在一个工艺中，将不同的物质通过几个分离塔进行分离，从而实现多组分物质的分离。一般来说，精馏集成可以减少设备的数量，节省时间和能源，并实现物质循环利用。因此，精馏集成技术是化工工业中常用的技术之一。
2.精馏集成过程
在本文中，我们采用的精馏集成过程包括三个塔，每个塔都用来分离混合物中的一种或几种物质。具体的过程如下：
第一塔：半干式塔
物料进料点位于塔顶，进料温度为50°C。塔顶温度为50°C，塔底温度为120°C，塔底的压力为1atm。本塔中的混合物主要包括DMF、水和少量甲苯。在该塔中，DMF和水通过半干式精馏分离，其余混合物（甲苯）则通过塔顶排出，形成前馏液。
第二塔：长度为4.2m的塔
本塔中使用的是管壳式换热器（shellandtubeheatexchanger）作为辅助装置。物料进料点为管面，进料温度为110°C。在该塔中，剩余的混合物（甲苯）和一些水被精馏分离，DMF则通过塔顶排出，形成后馏液。
第三塔：长度为2.4m的塔
物料进料点位于塔顶，进料温度为120°C。塔顶和塔底温度分别为120°C和75°C，塔底的压力为1atm。在本塔中，液相的甲苯和气相的水被精馏分离，最终得到纯甲苯。
四.结果分析
萃取精馏操作中，DMF、甲苯、水的物质加入比例相同。在临界温度为105.5℃、相对挥发度为1.98的情况下，萃取精馏得到DMF、甲苯和水的分离，其结果如图1所示。
图1：萃取精馏分离DMF-甲苯-水混合液结果。
在第一组操作过程中，我们采用萃取精馏分离DMF-甲苯-水混合物，采用丙酮和异丙醇作为助剂。在该过程中，DMF、甲苯和水温度分别为84.5℃、96℃和70℃，前馏液含量为4wt％，后馏液含量为98wt％。从实验结果可以得知，萃取精馏技术可以有效地分离DMF、甲苯和水等多组分混合物，其分离效果得到充分体现。
在第二组操作过程中，我们采用精馏集成分离DMF-甲苯-水混合物。在该过程中，我们首先使用半干式塔分离DMF和水，然后使用带有辅助设备的长度较大的塔分离甲苯和水。在该过程中，我们使用了管壳式换热器作为辅助设备，以提高分离效率。实验结果表明，在使用精馏