二甲基亚砜的分离纯化与回收研究

　　摘 要：二甲基亚砜是优良的溶剂，在众多领域都有广泛的应用。虽然目前我国生产二甲基亚砜的技术已相对成熟，但其生产能力远不能满足国内日益增长的需要，供需缺口在不断的扩大。为解决二甲基亚砜的供不应求，降低生产成本，需要对其进行纯化及回收利用。本文研究了二甲基亚砜和水的精馏分离纯化，为工业上纯化及回收利用二甲基亚砜提供理论和实践基础。 　　关键词：精馏 纯化 回收 二甲基亚砜 　　二甲基亚砜（DMSO）为无色透明液体，目前已广泛应用于医药、石油、农药、化工、冶金、有机合成、电子、涂料和高分子材料等许多化工领域。尤其是在聚丙腈生产碳纤维中，DMSO使丙烯腈聚合，直接在水浴中喷丝，得到膨松、柔软的碳纤维产品。但是由于它的沸点较高，导致操作温度过高，影响二甲基亚砜的回收及设备清洗工作，同时也会增加能耗。因此，研究二甲基亚砜的分离纯化及回收技术尤为重要。本文采用真空间歇精馏分离方法，研究了操作温度、回流比等几种因素对二甲基亚砜含量和回收率的影响。 　　一、二甲基亚砜的生产现状及优点 　　二甲基亚砜，简称DMSO，常温下为无色、无臭的液体、味微苦。由于它具有溶解度高（能溶解除烷烃以外的各种极性物质）、沸点高（189℃）、毒性极低，产品性能好的特点，被广泛用作溶剂和反应试剂，特别是用在丙烯腈聚合反应中作加工溶剂和抽丝溶剂，具有溶解度高、工艺简化、无毒、溶剂沸点高、成本低等优点。 　　目前世界上拥有二甲基亚砜的生产装置的国家仅有法国、日本、中国和美国。我国作为世界上主要生产二甲基亚砜的国家，其生产企业就有十多家，而且每年的生产能力和产量增长迅速。据统计，2008年产能增加到5.9万吨/年，2012年产能已超过8.0万吨/年。虽然目前我国生产二甲基亚砜的技术相对成熟可靠，但我国现具备的二甲基亚砜生产能力远不能满足国内日益增长的需要，供需缺口在不断的扩大。 　　二、实验部分 　　1.精馏分离流程 　　DMSO-H2O溶液由于其沸点相差较大，而且不存在共沸效应，通常采用精馏方法来分离。精馏工艺一般要经蒸发脱盐、减压蒸馏脱水和真空精馏获得纯度为高于99.5%的二甲基亚砜产品。但是在高温条件下DMSO不能长期稳定存在，较易发生缓慢的热分解，因此，工业化分离中可采用减压精馏的方式。具体的精馏过程如下所示： 　　原料储存罐→进料泵→预处理塔→精馏塔→接收罐→回流系统→产品接收罐 　　2.原料及所需仪器 　　原料：二甲基亚矾（天津市福晨化学试剂厂，分析纯） 　　纯净水（杭州娃哈哈集团有限公司） 　　DMSO-H2O混合料液，DMSO由加水配制而成，无色透明液体。DMSO含量（Xw）：27% 　　仪器：精馏塔（天津大学化工学院）内径30 mm，高2 m，理论塔板数约等于20块，塔釜为容积1.0L 的三口蒸馏瓶。塔内填充θ网环填料、精馏塔顶为玻璃蛇型冷凝器；温度计（精密度为0. 01°C） 　　3.实验步骤及策略 　　实验时先在蒸馏瓶加人约0.8L的混合料液，开通循环冷却水、开启加热器电源，并通过调节器控制塔釜的加热量和釜温。当水蒸气到达塔顶冷凝时，使之全回流，同时观察到塔顶温度的变化，稳定后调节回流比的大小，以使DMSO和水在塔内得以分离。 　　由于水与DMSO沸点相差较大，所以开始时可以采用适当小一些的回流比将水脱除，这样会同时避免DMSO被大量蒸出；当塔顶馏出物中的DMSO浓度达到要求时，开始收集，此后采用恒回流比操作，得到高纯度产品；到分离后期，提高回流比，保证DMSO纯度始终在要求的99.5以上，此时收集产品。 　　三、结果和讨论 　　1.温度确定 　　DMSO-H2O 的水溶液中，于100℃下加热回流，观察实验现象可以得知，实验中溶液的颜色在加热30天后均无变化。而在140-150℃的高温下，DMSO的分解速度加快，且少量的DMSO的分解就能严重污染DMSO溶液，主要表现为溶液的颜色变黄加深。因此，可认为100℃时DMSO溶液很稳定，可以长时间循环使用，这主要是由于操作温度比较低。可见，温度是一个十分关键的稳定化指标。 　　2.理论塔板数和最小回流比的确定 　　由于二甲基亚砜和水的混合容易是理想溶液，可以对间歇精馏的理论塔板进行计算，经过计算得出理论塔板数为4块。 　　在精馏过程中，回流比影响分离过程的重要因素。回流比的增大，虽然有利于提高产品的纯度，同时如果增大回流比，能耗就会相应的增加。站在经济学的角度而言，是不合理的，因此选择适宜的回流比就非常重要。若原溶液组成为0. 27的二甲基亚砜溶液，分离后要求达到塔顶组成Xd= 0. 045， Xw= 0. 955， 均为摩尔分数。可以通过公式1进行计算确定操作适宜的回流比 　　=0.32 公式1 　　式中yw是与xw成平衡的气相组成。取R= 2Rmin的关系确定操作回流比R。 　　3.回收率的计算 　　精馏开始时，在釜底的全部料液为W1，其中DMSO为W1 （1-X W1），精馏结束后，DMSO为W （1-X W），则回收率计算公式应如下： 　　公式2 　　四、结论 　　1.减压精馏仍然是分离DMSO-H2O溶液最有效的方法。 　　2.在中性和弱碱性环境条件下，DMSO-H2O溶液在100℃时可以长期稳定使用，因此，减压精馏分离DMSO-H2O体系的设计应该保证塔底再沸器的温度不超过100℃。 　　3.通过减压精馏分离DMSO一H20混合液，使DMSO要达到95 .5%，还是比较容易实现的。 　　参考文献 　　[1] 张金凤.二甲亚矾的市场开发前景.化学工程，198，19（3）：4 1-45. 　　[2] 汤恩旗.间歇精馏的操作分析与设计.天津纺织工学院学报，1996， 15 （4）：76-78. 　　[3] 郭天民， 等.多元气液平衡和精馏[ M] .北京： 化学工业出版社， 1977. 　　[4] 余国宗等，分批蒸馏优化策略与微机控制的研究[J].化工学报，1989（3），271-276. 　　作者简介：侯杰、男，1986年06月04日，山西太原，2009年9月毕业于北京化工大学北方学院，全日制本科。