制药行业回收溶剂四氢呋喃的研究与工程实践

09/09

2025

制药行业回收溶剂四氢呋喃的研究与工程实践

四氢呋喃（THF）是一类杂环有机化合物，常温常压下为黏度较小、可与水互溶，是在化学反应和萃取时常用的中等极性非质子溶剂。四氢呋喃常作为沸点较高的醚类溶剂，其性质和用途与乙醚相似，但它的性能往往更好。在无水条件下，乙醚是很多要求不太苛刻的反应的优良溶剂，但在更高温度范围内，四氢呋喃作为一个更可靠的配体，广泛应用于制药、化工等领域。但由于THF（94.7wt.%)与水能形成共沸物(共沸点约65℃)，其分离提纯一直是化工领域的重要课题。

当前，行业内工业化分离提纯四氢呋喃的方法主要有萃取精馏、变压精馏、膜分离及吸附等工艺方法。变压精馏方法不需要使用萃取剂，仅通过调整操作压力，利用共沸物在不同压力下组成的变化实现四氢呋喃的分离和提纯，得到的四氢呋喃纯度可达到99.95%以上。该流程的特点是流程简单，不会因为引入第三方脱水剂，而需要对第三方物质进行分离与再生，进而导致的流程复杂、杂质控制难度大、工程控制复杂等问题。

下面以2024年江苏海川石化为南通某制药公司设计的THF-H2O回收溶剂的工艺流程为例，简单分享该体系分离过程理论要点。

该企业在生产甾体激素药剂时，需要利用大量的THF作为格氏反应的溶剂，在后续的分离阶段，当目标生成物移除后，余下大量THF和反应副产H2O.该体系需要回收利用，一则可以降低经济成本，二则可避免环境污染，满足环保要求。根据企业现场中试实验结果反馈：体系中THF含量为80-85%，H2O为15-19%，还有约为0.5%左右的高沸点组分。企业要求回收后的THF纯溶剂组分中含水量低于0.1%。

接到任务后，首先与我们的合作伙伴—天津大学某分离过程实验室合作，对该体系进行ASPEN模拟，然后根据以往的工程经验：设备固定投资和运营成本核算，初步确定体系的分离工艺流程——变压精馏。

变压精馏的原理是，某些物系的共沸组成随操作压力变化而变化，通过调节操作压力则可实现共沸组成的变化，从而达到共沸物的分离。图1所示为不同操作压力（1.01bar、5bar、10bar)下，共沸组成的变化。由图看出，随着操作压力的增大，共沸组成中THF的含量在逐渐减小。并且在1~5bar范围内，THF含量变化幅度大，约从95%减小至90%；而在5~10bar范围内，THF含量变化幅度较小，约从90%减小至87.5%。按设计习惯，共沸组成变化超过5%时即可满足工程设计的要求，且变化越大，实现设计越容易，分离所需理论板数越少。

在图中，初始进料组成中THF为80-85(wt.)%,进料点在共沸点左侧，则经过精馏后，可得到共沸物（塔顶）和水（塔底）。采用变压精馏时，1塔在常压操作，塔顶得到常压下共沸组成物（如图1最下曲线所示），塔底得到几乎不含THF的水。此时，塔底采出液满足去三废处理中心的要求。塔顶冷凝液中THF组成约为95%，尚含有约5%的水，无法满足直接回收利用的要求。

图1 四氢呋喃（THF)-水(H2O)体系中，共沸组成随压力的变化

此时，将该冷凝液作为2塔的进料，并使2塔在高压（>5bar)下工作，由于高压下共沸组成中THF 含量较低（对应于图1中上方和中部气液平衡曲线），则经过精馏后，塔顶得到此时压力下的共沸物，塔底得到几乎不含水的纯THF。塔顶共沸物再循环回常压塔中继续分离，塔底得到的THF满足溶剂回收利用的要求。

因此，根据以上的热力学相图分析，我们通过变压精馏实现水和THF的分离。实际设计中，考虑到5bar时，由于气液平衡特性，气相与液相组成相差不大，所需理论板块数较多，所以我们选用10bar为2塔的操作压力。

根据以上理论分析，自然可得到该溶剂回收工艺流程如图2所示。

图2 THF-H₂O工艺流程图

根据以上流程图，在ASPEN 中建模，并输入初始条件，得到优化后的操作参数及设备条件如表1所示。

表2 模拟数据、小试数据及生产数据对比

项目	理论板数	实际填料高度/m	回流比
1塔	20	20	2
2塔	20	20	3.5

值得注意的是，该过程中的循环量，即图2中的RECF流股循环量的大小对结果影响很大，较小的循环量对两个塔的分离是不利的，这无论是从模拟上还是从工业生产上都得到验证，但循环量过大，不仅仅增加塔径，提高固定投资费用，而且提高运行成本，经济上不划算。较好的选择还是应该从图1的气液平衡图上找出其合理范围。

在以上模拟结果的指引下，进行两个塔的设备设计工作及制造工作。于2025年初，一次开车成功，经济性满足预期要求，生产化验数据超过厂家目标要求，如表2所示。

表2 模拟数据、小试数据及生产数据对比

项目	组分	模拟	小试	工厂数据
回收溶剂	THF	99.95	99.97	99.91
回收溶剂	H₂O	0.05	0.03	0.09
废水	THF	0.001	0.01	0.02
废水	H₂O	99.999	99.99	99.98

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