离子液体对三种共沸物系汽液相平衡影响及其活度系数模型研究

作     者：岳堃 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：博士

导师姓名：李群生

授予年度：2018年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：共沸物 汽液相平衡 离子液体 活度系数模型 Wilson-MR 

摘      要：在共沸物的萃取精馏中,离子液体因为其独特的理化性质成为一种优良的新型萃取剂,并在近年来一直被关注。本文以乙酸乙酯-乙醇、氯仿-乙醇、氯仿-异丙醇共沸体系作为研究对象,将离子液体[MMim][DMP]、[OMim][PF6]、[BMim][BF4]作为萃取剂萃取精馏分离上述共沸体系,并深入研究其平衡组成、相对挥发度、活度系数、平衡温度等的关系。同时,利用Wilson、NRTL、e-NRTL和UNIQUAC模型对实验数据进行了拟合,从而有效扩展了热力学模型的应用范围,并在已有模型的深入研究基础上,考虑了局部组成模型中多程作用力的影响,同时分析了短程、长程作用力的影响,建立了 Wilson-MR模型,用其拟合含离子液体物系的汽液相平衡数据并与其它模型相对比、讨论。此外,依靠Aspen Plus软件对离子液体作为萃取剂的萃取精馏过程进行流程化概念设计,对流程进行优化并得到最优操作条件,为其用于实际生产打下基础。主要研究内容如下:(1)乙酸乙酯-乙醇-离子液体([MMim][DMP]、[OMim][PF6]、[BMim][BF4])的汽液相平衡测定,并对实验数据进行活度系数模型拟合研究。对于乙酸乙酯-乙醇-离子液体体系,随着离子液体[MMim][DMP]、[OMim][PF6]、[BMim][BF4]含量的增加,在离子液体摩尔分数分别超过0.048、0.141、0.353时,共沸物系的共沸被打破。三种离子液体对乙酸乙酯-乙醇体系的影响:[MMim][DMP][OMim][PF6][BMim][BF4]。其中,[MMim][DMP]对乙酸乙酯表现出盐析效应,[OMim][PF6]和[BMim][BF4]对乙酸乙酯表现出交叉盐现象。对于乙酸乙酯-乙醇体系,[MMIM][DMP]是一种优良萃取剂。(2)氯仿-乙醇-离子液体([MMim][DMP])的汽液相平衡测定及实验数据的活度系数模型拟合研究。对于氯仿-乙醇-离子液体体系,随着离子液体[MMim][DMP]含量的增加,在离子液体摩尔分数超过0.058时,共沸物系的共沸被打破。[MMim][DMP]对氯仿-乙醇共沸体系的影响非常明显,[MMim][DMP]的加入对氯仿表现出交叉盐效应。氯仿-乙醇二元体系加入[MMim][DMP]后,会使体系的平衡温度升高,并且离子液体[MMim][DMP]的浓度越高三元体系的平衡温度越高,同时,[MMim][DMP]的加入对于乙醇纯组分的沸腾温度的影响要大于对氯仿的影响。对于氯仿-乙醇体系,对比已报道离子液体,[MMIM][DMP]是最佳萃取剂。(3)氯仿-异丙醇-离子液体([MMim][DMP])的汽液相平衡测定及实验数据的活度系数模型拟合研究。[MMim][DMP]的加入对氯仿-异丙醇原有共沸有明显影响,在离子液体[MMim][DMP]的摩尔分数超过0.045时,共沸物系的共沸被打破。[MMim][DMP]的加入对氯仿表现出交叉盐现象。氯仿-异丙醇二元体系加入[MMim][DMP]后,会使体系的平衡温度升高,并且[MMim][DMP]浓度越高体系的平衡温度越高,[MMim][DMP]的加入对于异丙醇纯组分沸腾温度的影响要大于对氯仿的影响。对于氯仿-异丙醇体系,[MMIM][DMP]是最佳萃取剂。(4)使用Wilson、NRTL、e-NRTL和UNIQUAC活度系数模型对实验结果进行关联,同时将几个模型的关联结果与实验数据进行对比,得出模型参数,可用于本文中三个物系任意浓度组合的计算求解,对于今后该物系萃取精馏的研究有重要意义。(5)建立一种活度系数计算模型Wilson-MR。该模型考虑了局部组成模型中多程作用力的影响,同时分析了短程、长程作用力的影响,结果表明模型尤其适用于计算含离子液体的三元物系的活度系数。用Wilson-MR模型拟合了含离子液体物系的汽液相平衡情况,并与其它活度系数模型的关联结果相对比,对Wilson-MR模型的优点、不足及进一步的优化方向进行了分析。(6)使用Aspen plus设计了[MMim][DMP]萃取共沸物乙酸乙酯-乙醇的流程,对流程进行优化并得到了与进料、萃取剂循环、设备操作参数等一系列因素相关的最优操作条件,同时对这一条件下塔内工况进行分析,为其用于实际生产打下基础。