论文部分内容阅读
在粗木醋液精制过程以及生产甲基异丙基酮和二乙基酮过程中会形成甲醇-甲乙酮共沸物,共沸物如果不处理,则会造成资源浪费和环境污染。萃取精馏以其分离能力强、操作灵活、能耗低等优点,在分离工程中被广泛应用。离子液体作为新型绿色萃取剂,已逐渐成为常规有机溶剂萃取剂的优良替代品,其在分离过程中具有深远的应用前景。离子液体数量庞大,因此准确高效地筛选出高性能的离子液体并进行萃取精馏操作以得到相关参数就显得尤为重要。基于此,本文的主要研究如下:（1）利用COSMOtherm X软件,选取了27种阳离子与26种阴离子组成的702种离子液体。以高选择性和高溶解度作为筛选原则,得出[N2222][Ac],[HMMIM][Ac]和[N4441][Ac]可以作为分离甲乙酮（1）-甲醇（2）共沸体系的潜在的优良萃取剂;[DMIM][NTf2]和[N4441][NTf2]可以作为分离甲醇（1）-甲乙酮（2）共沸体系的潜在萃取剂。（2）在常压下测得了甲乙酮（1）-甲醇（2）-[N2222][Ac]（3）、甲乙酮（1）-甲醇（2）-[HMMIM][Ac]（3）和甲乙酮（1）-甲醇（2）-[N4441][Ac]（3）的VLE数据,探究了离子液体的加入对这一共沸物气液相平衡行为的影响。结果表明三种离子液体的分离效果为:[N2222][Ac]＞[HMMIM][Ac]＞[N4441][Ac],该结果与COSMOtherm X预测结果一致,再一次验证了其预测结果的准确性。采用NRTL模型和UNIFAC-Lei模型对甲乙酮（1）-甲醇（2）-[Ac]-类IL（3）的VLE数据进行了拟合,通过平均相对偏差（ARD）可知NRTL模型计算值与实验值吻合性更好,因此可以得出,NRTL适用于对甲乙酮（1）-甲醇（2）-[Ac]-类IL（3）的VLE数据进行关联。通过NRTL模型计算得出[N2222][Ac]、[HMMIM][Ac]、[N4441][Ac]打破共沸所需的最小摩尔分数分别为0.048、0.050、0.053。（3）在常压下测得了甲醇（1）-甲乙酮（2）-[DMIM][NTf2]（3）、甲醇（1）-甲乙酮（2）-[N4441][NTf2]（3）的VLE数据,探究了离子液体的加入对这一共沸物气液相平衡行为的影响。结果表明两种离子液体的分离效果为:[DMIM][NTf2]＞[N4441][NTf2],该结果与COSMOtherm X预测结果一致,再一次验证了其预测结果的准确性。采用NRTL模型和UNIFAC-Lei模型对甲醇（1）-甲乙酮（2）-[NTf2]-类IL（3）的VLE数据进行了拟合,通过平均相对偏差（ARD）可知模型计算值与实验值吻合性较好,因此可以得出,NRTL模型和UNIFAC-Lei模型适用于对甲醇（1）-甲乙酮（2）-[NTf2]-类IL（3）的VLE数据进行关联。此外,由于NRTL模型关联数据与实验数据之间的ARD更小,因此可以得出NRTL模型更适合于对含离子液体的甲醇-甲乙酮体系的VLE数据进行关联。通过NRTL模型计算得出[DMIM][NTf2]、[N4441][NTf2]打破共沸所需的最小摩尔分数分别为0.035、0.039。（4）通过相互作用能量分析、过量焓分析、σ-profiles分析和σ-potentials分析、RDG分析、红外分析,对[Ac]-类离子液体分离机理进行了探究。结果表明甲乙酮-离子液体以及甲醇-离子液体之间的相互作用能量均大于甲乙酮-甲醇之间的相互作用能量,这表明离子液体的加入会改变待分离物质之间的相互作用,即待分离物质更倾向于和离子液体进行相互作用,从而消除了甲乙酮和甲醇之间的共沸现象。且甲乙酮和离子液体之间的相互作用能量小于甲醇和离子液体之间的相互能量,即甲乙酮和离子液体之间的相互作用更弱,因此甲乙酮会作为轻组分被分离出去。此外还验证出[Ac]-类离子液体在分离甲乙酮（1）-甲醇（2）的过程中氢键作用占主导。通过过量焓分析、σ-profiles分析、MK电荷计算,对[NTf2]-类离子液体分离机理进行了探究。过量焓结果表明甲乙酮-离子液体之间的相互作用强于甲醇-离子液体之间的相互作用,因此甲醇会作为轻组分被分离出去。此外还验证出[NTf2]-类离子液体在分离甲醇（1）-甲乙酮（2）的过程中静电作用占主导。（5）使用Aspen Plus软件模拟优化了以离子液体[N4441][NTf2]为萃取剂分离甲醇-甲乙酮共沸物系的工艺流程,确定了EDC的最佳工艺参数:全塔理论板数为32块,离子液体进料量为33kmol.h-1,溶剂比为0.33,离子液体与原料进料位置分别为第2块与第22块塔板,回流比为0.8;SRC的最佳工艺参数是:全塔理论板数为5,回流比为1.0,回收液进料位置为第2块塔板,最终得到0.999与0.999摩尔分数的甲醇与甲乙酮,并且离子液体回收塔的塔釜温度低于[N4441][NTf2]的分解温度,且塔釜离子液体的摩尔分数为0.9999,说明[N4441][NTf2]不会分解且几乎无损耗,可以用于回收并循环利用。说明[N4441][NTf2]作为分离甲醇-甲乙酮共沸物系的萃取剂具有实际应用前景,为其工业分离提供理论基础。