乙腈水共沸系统分离的离子液体选择和过程模拟

发布时间：2017-10-15 10:33

  本文关键词：乙腈水共沸系统分离的离子液体选择和过程模拟

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【摘要】：乙腈是重要的化工原料和有机溶剂。乙腈与水的共沸体系的分离是乙腈精制过程中的重大挑战之一。基于离子液体沸点高、分离能力强、稳定性好等优点,以离子液体为添加剂的萃取精馏技术备受关注。本文通过理论预测和实验验证了乙腈(1)+水(2)+离子液体(3)三元体系的汽液相平衡,采用NRTL方程对实验数据进行了关联,在此基础上进行了离子液体萃取精馏过程设计和模拟,综合研究了不同离子液体对乙腈与水体系分离的促进效应。采用COSMO-RS模型预测和比较了以1-乙基-3-甲基咪唑([EMIM]+)为阳离子,氨基酸为阴离子构成的18种氨基酸离子液体及15种季胺类离子液体(包含10种胆碱离子液体)对乙腈-水混合物汽液相平衡的影响,计算了相互作用能、表面电荷密度分布、混合焓等热力学性质,分析了离子液体对乙腈-水分离的促进机理。参照1-乙基-3-甲基咪唑醋酸([EMIM][OAC])的效果,发现1-乙基-3-甲基咪唑脯氨酸([EMIM][Pro])具有与[EMIM][OAC]可比拟的效果,比N,N,N-二甲基-丁基乙醇胺乙醇酸([N1,1,4C2OH][GAC])的效果有所超越。系统中不同组分间的相互作用(以氢键作用为主)因离子液体的加入而改变,其中离子液体与水的相互作用能最大。水及乙腈分别与离子液体的作用能差异导致乙腈更容易从混合物中逸出。在101.3 kPa下,测定了乙腈(1)+水(2)+[EMIM][Pro](3)和乙腈(1)+水(2)+[N1,1,4CZOH][GAC](3)三元系统的恒压相平衡数据。结果表明：[EMIM][Pro]、 [NM,4C2OH][GAC]都可促进乙腈水混合物的分离。当离子液体添加量仅为0.05(摩尔分数)时即可消除乙腈-水的共沸点,并且在乙腈的高浓度区其相对挥发度能显著提升。离子液体添加量越大则越易促进乙腈与水的分离。利用NRTL模型关联了实验数据,得到了乙腈-离子液体和水-离子液体的二元交互参数,关联的最大偏差为3.42%。利用Aspen plus软件,选用NRTL热力学物性方程,分别模拟了以[EMIM][OAC]、 [EMIM] [Pro]、[N1,1,4C2OH] [GAC]为添加剂的乙腈水精馏过程,研究了塔板数、原料及添加剂进料板位置、添加剂进料温度、回流比、溶剂比、采出率对萃取精馏的影响。从分离效果及节能的角度而言,[EMIM][Pro]成为一种潜在的高效价廉且更环境友好的乙腈-水混合物的分离添加剂。本文为离子液体在乙腈水共沸物分离中的应用提供基础数据和理论参考。
【关键词】：乙腈 离子液体 汽液相平衡 COSMO-RS 精馏
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ226.61;O645.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 文献综述11-19
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 离子液体概述11-13
• 1.2.1 离子液体定义和分类11-12
• 1.2.2 离子液体的性质12
• 1.2.3 离子液体的合成和应用12-13
• 1.3 含离子液体体系相平衡研究方法13-14
• 1.3.1 实验研究13-14
• 1.3.2 理论预测14
• 1.4 离子液体对乙腈水混合物相平衡研究进展14-16
• 1.4.1 普通咪唑类14-15
• 1.4.2 氨基酸类15-16
• 1.4.3 季胺类16
• 1.5 萃取精馏过程模拟16-17
• 1.5.1 精馏模拟16-17
• 1.5.2 离子液体萃取精馏模拟17
• 1.6 本文研究内容及意义17-19
• 第2章 COSMO-RS方法筛选可促进乙腈水共沸物分离的离子液体19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 相平衡预测19-28
• 2.2.1 分子设计20-24
• 2.2.2 计算细节24
• 2.2.3 相平衡预测结果24-28
• 2.3 热力学分析28-33
• 2.3.1 电荷密度分布28-29
• 2.3.2 过量焓分析29-31
• 2.3.3 相互作用分析31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 含离子液体的乙腈水体系汽液相平衡的测定和关联34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 汽液相平衡测定34-36
• 3.2.1 药品34
• 3.2.2 实验装置及研究方法34-35
• 3.2.3 相平衡测定步骤35-36
• 3.3 汽液平衡实验结果36-39
• 3.3.1 可靠性验证36-37
• 3.3.2 三元相平衡测定结果37-39
• 3.4 实验数据和COSMO-RS预测结果比较39-41
• 3.5 汽液相平衡数据NRTL关联41-42
• 3.6 本章小结42-44
• 第4章 乙腈-水共沸体系萃取精馏的过程模拟44-55
• 4.1 引言44
• 4.2 概念设计44-46
• 4.2.1 分离流程设计44-45
• 4.2.2 热力学模型选择45
• 4.2.3 离子液体物性参数确定45-46
• 4.3 精馏条件的确定46-50
• 4.3.1 全塔理论板数的影响46-47
• 4.3.2 进料板位置的影响47-48
• 4.3.3 离子液体进料流量和温度的影响48-49
• 4.3.4 回流比的影响49-50
• 4.3.5 塔顶采出量的影响50
• 4.4 不同离子液体萃取精馏过程的比较50-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第5章 全文总结55-56
• 附录56-62
• 参考文献62-71
• 致谢71-72
• 发表论文及专利成果72

【参考文献】

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本文编号：1036633