二甲基乙酰胺水溶液的萃取分離研究

1、第 4 1 卷第 1 6 期 2 0 1 3年 8月 廣 州 化 工 G u a n g z h o uC h e mi c a lI n d u s t r yV0 1 ． 4lN o ． 1 6Au g u s t ． 2 013二 甲基 乙酰胺水溶液的萃取分 離研 究 劉建華 ，于海波 ( 陜西煤業(yè)化工集團神木天元化工有限公 司，陜西 榆林 7 1 9 3 1 9 )摘 要 ：主要介紹了液液萃取法和精餾法回收廢水中 D M A C

2、 。討論了液液萃取法中萃取劑的選擇及對萃取平衡影響的因素：p H值、溫度、 氯化鋰含量等，并討論了多級萃取理論級數(shù)的計算和實驗驗證。通過對比萃取和精餾兩種方法 ，萃取 一 分餾法是最 好的選擇 。關(guān)鍵 詞 ：二甲基乙酰胺 ；萃取 ； 精餾；回收 中圖分類號 ： T Q 9 1 4 ． 1文獻標識碼 ： A文章編號 ： 1 0 0 1 — 9 6 7 7 ( 2 0 1 3 ) 1 6 — 0 0 2 2 — 0 2T h eRe s e

3、 a r c hi nEx t r a c t i o no fDM AC —H2o UJ i a n—h u aY U Ha i 一6 0( S h e n muC h e m i c a lC o ． ， L t d ． ， S h a a n x iC o a lC h e m i c a lG r o u p ，S h a a n x iY u l i n7 1 9 3 1 9 ，C h i n a )Ab s t r a c

4、 t ：T h el i q u i d — l i q u i de x t r a c t i o na n dd i s t i l l a t i o np r o c e s sf o rr e c y c l i n gDMACf r o m w a s t e w a t e rw e r ei n t r o d u c e d ．T h es e l e c t i o no fs o l v e n tf orl i

5、 q u i d —l i q u i de x t r a c t i o nw a sd i s c u s s e da n dt h ef a c t o r so fe x t r a c t i o ne q u i l i b r i u m we r es t u d i e d，s u c ha sp H ，t e mp e r a t u r e，a n dt h ec o n t e n to fl i t h i

6、 u m c h l o r i d e ． T h es t a g e so fmu l t i—s t a g ee x t r a c t i o nw a sc a l c u l a t e da n dc h e c k e de x p e r ime n t a ll y ． Ac c o r d i n gt oc o n t r a s te x t r a c t i o nw i t hd i s t i l

7、 l i t i o n，e x t r a c t i o n —d i s t i l l i t i o nwa st h eb e s tc h o i c e ．Ke ywo r d s ：d i me t h y l a c e t a mi d e；e x t r a c t i o n ；d i s t i l l a t i o n；r e c y c l e二甲基乙酰胺 ( D M A C )是一種優(yōu)的催化劑和強極

8、性溶劑 ，工業(yè)價格高但有毒性 ，隨著其工 業(yè)應用 的 日益廣泛 ，若 不進行 回收處理，勢必嚴重污染環(huán)境 ，并造成 巨大的經(jīng)濟損失，所 以 ，二 甲基乙酰胺的相關(guān)研 究具有十分重要 的現(xiàn) 實意義 。關(guān) 于 處理含 D M A C 廢水 ，主要有兩個方面 ：液液萃取法及 精餾法 回收 D MA C 。1萃取 法回收 與處理含 D MA C廢水的研究 萃取與其他 分 離溶 液組 分 的方 法相 比，優(yōu)點 在 于常 溫操 作 ， 節(jié)省能源 ，

9、不涉及固體 、氣體 ，操作 方便 。萃取 在如下 幾 種情況下應用 ，通常是有利的 ：①料液 各組分 的沸點相 近 ，甚 至形成共沸物 ，為精餾所不易奏效 的場 合 ，如石油餾 分 中烷 烴 與芳烴 的分離 ，煤焦油 的脫酚 ；②低濃 度高沸組 分 的分離 ，用 精餾能耗很 大，如稀醋酸 的脫水 ；③ 多種離 子的分離 ，如 礦物 浸 取液的分 離和凈制 ， 若加入化學 品作分部 沉淀 ，不但分 離質(zhì) 量差 ，又有過濾操作 ， 損耗也大

10、 ；④不穩(wěn) 定物質(zhì) ( 如熱敏 性物 質(zhì)) 的分離 ， 如從發(fā)酵液制取青霉 素。萃取的應用 ，目 前 仍在 發(fā)展 中。元 素周期表 中絕大多數(shù) 的元素 ，都可用 萃取法提 取和 分 離。萃取劑 的選擇 和研制 ， 工藝 和操 作條件 的確定 ，以及流 程和設 備的設計計算 ， 都是開發(fā)萃取操作 的課題 。單 級萃取對 給定組分所能達到 的萃取率 ( 被萃組分 在萃取 液中的量與原料 液中的初始量 的比值 )較低 ，往往不 能滿足工 藝要

11、求 ，為了提 高萃取率 ， 可 以采用 多種方 法 ： ① 多級錯 流萃 取。料液和各級萃余液都與新鮮的萃取劑接觸，可達較高萃取 作者簡介：劉建華 ( 1 9 7 0 一) ，男 ，主要從事生產(chǎn)管理工作。率 。但萃取劑用量 大 ，萃取液 平均 濃度 低 。② 多級 逆 流萃 取。料液 與萃取劑分別從級 聯(lián) ( 或板 式塔 ) 的兩端加人 ，在級 間作 逆 向流動 ， 最后成 為萃余液 和萃取液 ，各 自從 另一端 離去 。料 液和萃取

12、劑各 自經(jīng)過多次萃取 ，因而 萃取率較 高 ，萃取 液 中被 萃組分 的濃度 也較 高 ，這是 工業(yè)萃取 常用 的流程 。③連續(xù) 逆流 萃取 。在微分接觸 式萃 取塔 ( 見萃取設 備 ) 中，料液 與萃取劑 在逆 向流動 的過 程 中進行 接 觸傳 質(zhì) ，也 是 常用 的 工業(yè) 萃 取方 法。料液 與萃取劑之中 ，密度大 的稱 為重相 ，密 度小 的稱 為輕 相。輕相 自塔底進入 ，從塔頂溢 出 ；重相 自塔頂加 入 ，從塔底 導出。

13、萃取塔 操作時 ，一種充滿 全塔 的液相 ，稱連 續(xù)相 ；另 一 液相通常 以液滴形式分散于其 中 ， 稱 分散相 。分散相 液體進 塔 時即行分散 ，在離塔前凝聚分層后 導出。料液 和萃取 劑兩者 之 中以何者 為分散 相 ， 須 兼 顧塔 的 操作 和 工藝 要 求 來 選定 。此 外 ，還有能達到更高分離程度 的回流萃取 和分部萃取 ? 。1 ． 1 模 擬 廢水 的制備 實驗 料液 為所 配 制的廢 水模 擬體 系 ，其 重量

14、組成 7 7 ％ 的 水 ， 2 0 ％的 D M A C 和 3 ％的氯化鋰 。1 ． 2 平衡實驗 單級萃取操作如下 ： 按所需相 比吸取萃取 劑與料 液放 人錐 形瓶 中后 ，置于水浴振蕩器 ，在所需 溫度下 ，以 2 0 07 ~ ／ m i n 的 速度振蕩 5r a i n ，取 出混合 液倒 人離心 桶 分離 ，在 4 0 0 0r ／ m i n下離心 1 0m i n ，將上層 清液 的濃 度做適 當稀 釋 ，并用 同

15、樣稀 釋 倍數(shù) 的與萃取劑達平衡 的去離子 水做空 白 ， 在 紫外分 光光度 計 上 ，測定萃余液 中 D M A C的濃度。第 4 1 卷第 1 6 期 劉 建華 等 ：二 甲基 乙酰胺水溶液 的萃取分離研究 1 ． 3 萃取劑的選擇 ．選擇 了幾種工業(yè)上應用較廣 ，回收方法較 成熟 的低沸 點溶 劑 ( 三氯 甲烷 、三氯乙烯 、乙酸丁酯 、異丙醚 )對 D M A C進行 萃取實驗 。根據(jù) 相 似相 溶 的原 理 ，萃取 機

16、理 應是 物 理 溶解 萃 取 。在選擇 萃取劑時 ，除了要考慮它對 D M A C具有較好 的萃取 性能外 ，還需 考慮以下幾點 ：萃取劑 在水 中 的溶 解度低 ，以減 少萃取劑夾帶損失，并保證分離效果；與水的分相好 ， 傳質(zhì)速 度快 ，不易乳化 夾帶 ；容易 回收 J 。對 比各 溶劑分配系數(shù) ，氯仿對 D M A C的萃 取分配 系數(shù)遠大 于其它三種溶劑 。同時它的其它物性 也適合 于作 萃取劑 ，因此 決定選用氯仿來 作為處

17、理含 D M A C廢水的萃取溶劑 。1 ． 4p H值對萃取平衡的影響 D M A C 是 兩性化合物 ，等 電點偏堿性 ， p H值是影響廢水性 質(zhì)和萃取效果 的重要 參數(shù) 。通 過 p H及 分配 系數(shù) 的實驗 數(shù)據(jù) 作 圖得出結(jié)論 ：在 p H值大于 6 后 ，p H值對 氯仿在水 中溶解度 的 影響不大，這可以減少溶劑的損失，對萃取有利。因此 ， 建議 在 堿性條件下實 現(xiàn)對廢水 中 D M A C的萃取 回收 。1 ． 5

18、溫度對萃取平衡的影響溫度是萃取 操 作 的一 個 重要 影 響 因素 ，在 選擇 萃 取 溫度 時 ， 應 盡可能使它在廢水 溫度 附近 ，這樣 就不必 增加熱 交換 工 序 ， 會降低能耗。實驗選擇 了 2 0℃， 2 5 ℃ ， 3 o℃ ， 3 5℃， 4 o℃五個 溫度來進行 比較 ，由實驗結(jié)果知 ：隨溫度 升高 ，氯 仿在水 中溶解 度下降 ，在常溫附近 ， 變化 不大 。根 據(jù)實驗 結(jié)果 可 以選 擇在 常溫下對廢水 中 D

19、 M A C進行萃取 回收 。1 ． 6氯化鋰含量對萃取平衡的影響 廢 水中常常含有少量 的氯 化鋰 ，因此有 必要考 察氯 化鋰含 量對萃取 過 程 的影 響。 由實驗 結(jié) 果 知 ：當氯 化 鋰 濃 度在 0—1 0 ％左右時 ，隨氯化 鋰濃度 的增加 ，分配 系數(shù) 有所 升高 ，但分 配系數(shù) D變化不大 。在實驗過程 中可觀察到 ，隨氯化鋰 濃度增 加 ，萃取過 程中的乳化現(xiàn)象得 到減 弱 ，有利 于油水 兩相更 好 的分離 。1

20、 ． 7多級萃取理論級數(shù)的計算及實驗驗證 擬合 3 0℃時氯仿萃 取 ． D M A C的平衡 曲線 。將 三氯 甲烷 與 D M A C萃取體系近似為溶劑不互溶體系。利用3 0℃時所測定的平衡曲線關(guān) 系 ， 計算并用實驗驗證使 實驗廢水 中 2 0 ％( w ／ w) 的 D M A C含量 降低至 3 0 0m g ／ L以下時所需要 的逆 流與錯流萃取級 數(shù) 。同時對計算結(jié)果 和實驗結(jié)果進行 比較 。計算值 和實 驗值存在一定 的

21、偏 差 ，隨級 數(shù) 的增 加 ，實驗 值 與計算值 的偏差也增 加 ，這主要是 由于實驗 中不 可避 免存在 萃 取劑和萃余液 的損失 ， 并 且隨著級數(shù) 增加 ，萃余 液 和萃取劑 的 損 失也越來越大 ，使理論 值 與實 際值之 間 的偏差 也 隨之 變大 。理論計算時 5 級 即可達 到要 求 ，但在 實驗驗 證時 ，要 用 6 級 才 能 滿足萃取率 的要求 。通過 以上實驗說 明 ，用萃取法可實 現(xiàn)將 廢棄 溶劑 中含量 約

22、為 2 0 ％的 D M A C回收的 目的 ，且采用 四級錯流 萃取 或 5級逆流 萃取的萃取率在 9 9 ％以上。對各種萃取方式進行比較，一般說 來 采用錯流萃取不僅增加 萃取劑用量 ，還致使有機相 內(nèi)D M A C 濃度大大降低，增加后續(xù)反萃或濃縮工藝的負擔 ，因此工業(yè)上多采用逆 流操 作方式。綜上所述 ， 建議選用 六級逆 流方式 來實現(xiàn) 對廢 水 中 D M A C的萃取 回收 J 。2 差壓熱耦 合精餾 法 回收與處 理含

23、 D MA C廢 水的研 究 二 甲基 乙酰胺作 為優(yōu) 良的有機溶 劑 ，在其應 用過程 中 ，產(chǎn) 生 大量的含 D M A C廢水 ， 質(zhì)量分數(shù)一般在 2 0 ％ ～ 3 5 ％ 。對此類 廢水進行處理 回收 D M A C具有重要 的意義 。由于 D M A C的沸點 比水 高 ， 采用蒸餾方法進行 回收時 ，需要 蒸發(fā) 大量的水 ；由于 水 的熱容較大 ，因此用 常規(guī)蒸餾 法處理該 廢水能耗 很大 。 目前 該類廢水 的回收除了用

24、 常規(guī)精餾 法外還有 萃取精餾 法 ，但 能耗 也 比較大 。熱耦合精餾是一種有效 的節(jié)能精 餾技術(shù) 。本文 中采 用 了一種新 的節(jié)能 型差壓熱耦合 精餾工藝 ， 該 工藝 能充分利 用 塔頂水蒸氣潛熱 ，以達到大 幅度 節(jié)能的 目的。該 工藝還 具有工 藝簡單 、不引入第 3 組分 等優(yōu) 點 ，通過 過程 模擬 與參 數(shù) 優(yōu)化 ，以期得到相關(guān)的工藝操作參數(shù) ，為含 D M A C廢水 回收處理提供 一 條新的節(jié)能工藝路線 。差壓熱耦

25、合精餾 流程是將 常規(guī) 精餾 塔分 割為 2 個 精餾 塔 ，將原來的精餾段作為常壓塔 ( T 1 ) ，提餾段作 為負壓 塔 ( T 2 ) 。T 2 塔采用 負壓操作 的 目的是 為了降低 塔釜溫度 ，因此就可 以利 用常壓塔塔頂蒸汽 的潛熱來加熱該塔 塔底 的再 沸器 ，進 行兩塔 塔頂和塔底的熱耦合 ，實現(xiàn)精餾過程的大幅度節(jié)能 。為 比較單塔精餾與差壓熱耦合精餾 的能耗 以及 得到 差壓熱 耦 合精 餾的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) ，首先對單塔

26、精餾 工藝進 行模 擬計算 ，得 到精餾 段和提餾段的塔板數(shù)及能耗 。在 此基礎(chǔ) 上 ，再對差 壓熱 耦 合精 餾工 藝進 行模擬與優(yōu)化。模擬計算 中，T 1 塔 的操 作壓力 規(guī) 定為 1 0 1k P a 、T 2 塔的操作壓力規(guī)定為 6k P a ，這樣規(guī)定壓力 的原因是 T l 塔頂溫度達 1 0 0o C，而 塔底的溫度為 8 6 ℃ ，保 證 了必要 的傳熱 溫差。根 據(jù)單 塔精餾模 擬結(jié) 果 ， T 1 塔 的塔 板數(shù) 定

27、 為 1 0塊 、塔 的塔板數(shù) 定 為 1 5塊。T 1 塔 頂廢 水采 出量 定 為 1 8 7 5k g ／ h ， T 2 塔底 D M A C采出量定 為 6 2 5k g ／ h 。采 用差 壓熱 耦合 精餾 工藝 ， 通 過把常規(guī)精 餾塔 分割成 串聯(lián) 的常壓塔 和負壓塔兩個塔 ， 可 以實 現(xiàn)塔頂蒸汽 與塔底 再沸器 熱 量 的耦合 匹配 ，大幅度降低 精餾過程 的能耗 。采用 N R T L— R K方程計算含 D M

28、A C廢水體系的氣液相平衡 數(shù)據(jù) ， 并通 過過程 的 模擬與優(yōu)化 ，得 到了差壓熱耦合精 餾的最佳工 藝參數(shù) 和相關(guān) 的 塔設備參數(shù) 。差壓熱耦合精餾工藝可 以節(jié)約能量約 7 3 ． 4 ％ ，節(jié) 能效果顯著 J 。3結(jié) 語 通過對比萃取和精餾兩種方法回收二甲基 乙酰胺。考慮到精餾法費時長 ，能耗高 ，且由于長時間 的蒸餾 ，少量 D M A C分 離成二 甲胺 ，因此萃取 一 分餾法是最好 的選擇 。這對 于降低成 本 、擴大再生產(chǎn)

29、 、環(huán)境保護和三廢 治理都有重大意義 。參考文獻 [ 1 ] 李州． 液液萃取過程和設 備[ M ] ． 北京 ： 原子能 出版社 ， 1 9 9 3 ： 2 6 2—2 6 3．[ 2 ] 魏文德． 有機 化 工原 料大 全 [ M] ． 北 京 ： 化學 工 業(yè) 出版 社 ， 1 9 8 9 ：9 8 —1 2 0 ．[ 3 ] 林泉 ， 朱 慎林 ， 戴猷元． 溶劑 萃取法 回收與處 理含 D M A C廢水的研 究 [ J ]