离子液体在空气脱水中的应用研究

发布时间：2020-06-20 18:50

【摘要】：空气是由N2、O2及其他气体组成的混合物,当其应用于工业生产时,水蒸气含量通常是一个重要指标。例如采用空分装置以空气为原料制备N2和O2时,空气的含水量要控制在很低的水平,防止水蒸气结冰损坏装置。因此,脱除空气中的水分是十分必要的。鉴于传统方法用于空气脱水时存在不同缺点,本文采用离子液体(IL,下同)为吸收剂进行空气脱水。通过模拟与实验相结合的方法筛选适合空气脱水的离子液体,设计合理的工艺流程,优化工艺参数,在保证深度脱水的同时实现流程的节能降耗。第一,本研究使用COSMOthermX软件计算N2、O2以及H2O在240种IL中的活度系数,以及N2/H2O、O2/H2O在IL中的选择性。结合IL的其他物理性质,最终确定1-乙基-3-甲基-咪唑四氟硼酸盐([EMIM][BF4])为适合空气脱水的吸收剂,并进一步计算电荷分布(σ-profiles)及混合焓,从分子层面上分析[EMIM][BF4]脱水原理。第二,对于优选的离子液体,通过平衡实验法测定不同温度压力下N2和 02在[EMIM][BF4]及含少量水的[EMIM][BF4]溶液(2wt%H20)中的溶解度,考察N2和02在两种溶液中的溶解情况。采用改进的UNIFAC(Mod.UNIFAC)模型拟合实验和文献中的数据获得基团相互作用参数,用于相平衡特性预测及Aspen Plus等流程模拟软件进行流程设计与优化。第三,通过空气脱水装置进行小试实验,考察离子液体用于空气脱水的实际效果。实验探究了 IL流量、初始含水量和种类对空气脱水效果的影响。在Aspen Plus中建立离子液体空气脱水的吸收塔数学模型,输入相应的Mod.UNIFAC模型基团相互作用参数,并设置与实验相同的操作参数,完成流程模拟。通过比较模拟与实验的结果,验证数学模型的准确性。最后,通过Aspen Plus软件进一步设计IL用于空气干燥脱水的工艺流程,并对操作参数进行优化,确定最优的工艺条件。同时设计并优化传统的三甘醇为吸收剂的空气脱水工艺流程,将两种流程的模拟计算结果进行比较,考察IL用于空气脱水工艺流程在节能降耗方面的优势。结果表明与三甘醇脱水流程相比,[EMIM][BF4]离子液体空气干燥流程具有脱水效率高(98%)、N2和O2的回收率高(N2和O2的回收率分别为99.99%和99.81%)、无吸收剂损耗等特点,同时加热和冷凝能耗分别降低77.89%和78.69%,在节能降耗方面优势明显。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O645.1;TQ116.1
【图文】：

本文利用ＣＯＳＭＯｔｈｅｒｍＸ软件由ＣＯＳＭＯ－ＲＳ模型计算［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］与Ｈ２０的溶逡逑液的混合焓，二元混合物（［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］邋＋邋Ｈ２０）在２９８．１５邋Ｋ下的混合焓计算结果如逡逑图２４。逡逑５０００邋逦逡逑４０００邋－逡逑３０００邋－逦＼逡逑｜邋２０００邋－邋＼逡逑卜＾逡逑逦１逡逑－，000邋－逦／／ｍ（ｖｄＷ）逡逑－２０００邋逦＞逦１逦？逦１逦逦逦＊逦？逦１逦？逦逡逑０．０逦０．２逦０．４逦０．６逦０．８逦１．０逡逑ＸＵ２０逡逑图２－４邋２９８．１５邋Ｋ下二元混合物Ｈ２０＋邋［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］的混合焓逡逑Ｆｉｇ．邋２－４邋Ｅｘｃｅｓｓ邋ｅｎｔｈａｌｐｉｅｓ邋ｏｆ邋ｂｉｎａｒｙ邋ｍｉｘｔｕｒｅｓ邋Ｈ２Ｏ＋邋［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］邋ａｔ邋２９８．１５邋Ｋ逡逑由图２４中可以看出，［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］与Ｈ２０溶液的混合焓的值在整个组成范围内逡逑为负值，即［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］与水的混合是放热过程，三种作用力中氢键起主要作用，范逡逑德华作用力次之，静电力作用力影响最小，因此，低温有利于离子液体吸收水分。混逡逑合焓中起主导作用的氢键作用力与ｏ－ｐｒｏｆｉｌｅｓ中离子液体与水形成氢键的结果是一致逡逑的，说明了［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］为吸收剂进行空气干燥脱水的可行性。逡逑２．３本章小结逡逑利用ＣＯＳＭＯｔｈｅｒｍＸ软件模型计算了邋Ｎ２、０２及Ｈ２０在２４０种ＩＬ中的亨利常数逡逑及选择性，通过对比计算结果，综合考虑热稳定性、粘度、成本等因素，确定适合空逡逑气干燥脱水的离子液体［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］。该离子液体比较常见

子的骨架和阴离子被看作一个电中性的基团，该种拆分方法保持了邋ＵＮＩＦＡＣ模型的原逡逑始方程形式，采用雷志刚教授实验组的方法［１（）２，１（）３］。本文涉及的［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］拆分结果逡逑如图３－２所示。其他组分Ｎ２、０２以及Ｈ２０在模型中以单个分子作为一个基团。逡逑２３逡逑

【参考文献】

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本文编号：2722822