甲烷磺酸型离子液体萃取汽油脱硫及过程强化研究

作     者：雷小杰 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李晶晶

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：离子液体 甲烷磺酸 萃取脱硫 微通道强化 传质 

摘      要：随着现代经济的发展与人口密度的增大,全球各国对能源需求量急剧增大。其中石油在能源利用结构中占比达30%,而石油中主要杂质成分为有机硫化物,这些硫化物广泛存在于汽油、柴油等车用燃料油中,对环境保护带来巨大挑战。降低汽油中硫化物的含量,对改善汽车尾气对环境危害至关重要。离子液体(ILs)具有结构可设计、高稳定性的优点已被广泛应用于萃取脱硫研究。本文通过改变阴阳离子,合成了甲烷磺酸(MSA)型ILs与硫酸氢型ILs,并将该系列ILs作为萃取剂进行萃取脱硫研究。为了改善离子液体黏度大、液-液两相的接触面积较小,传质效率低的问题,本文采用微通道技术对萃取脱硫过程进行强化传质研究。 以甲烷磺酸(MSA)、硫酸氢盐作为阴离子供体合成了 9种ILs,分别研究了阴阳离子基团对ILs物化性质的影响,并对萃取脱硫机理与脱硫性能进行研究。当阴离子为MSA时,阴阳离子间形成了较强的氢键,分子内作用力比分子间作用力更强,MSA型离子液体的黏度更小,6种MSA型离子液体的黏度差异较大,其中[C4(MIM)](MSA)的黏度最低,其黏度为258.82mPa·s;。因为MSA的酸性明显高于硫酸氢根,MSA型离子液体比硫酸氢型离子液体具有更广的酸调节范围,其调节范围为 3.62～4.14。MSA 型离子液体的密度范围为1.1426kg/m3～1.3006kg/m3,其中[C4(CPL)](MSA)密度最小,为 1.1426kg/m3;界面张力范围为4.50～7.38mN/m。采用红外光谱(FT-IR)与核磁共振氢谱(1HNMR)对ILs结构进行表征,证实了合成的ILs结构与设计目标一致。萃取脱硫研究结果表明,MSA型离子液体的萃取脱硫效率高于硫酸氢型离子液体,提高了5.66～12.51%。对MSA型离子液体萃取硫化物的选择性进行研究,结果表明,[C4(MIM)](MSA)对噻吩的选择性达到4.99远高于其余5种MSA型离子液体。MSA型ILs对噻吩硫化物的选择性系数与溶质分布系数均高于脂肪烃类硫化物。当阳离子电子云密度增大时,MSA型离子液体的极性增强,对硫化物的萃取效率增大;MSA型离子液体对噻吩硫化物的萃取效果大小顺序为:(MIM)+≈(Hnmp)+(Bpy)+(CPL)+(TE A)+(MOR)+。 在传统间歇萃取脱硫技术中,由于ILs具有高黏度的性质,导致了离子液体相/油相间的接触面积的不充分,两相间传质阻力大,ILs用量大,萃取时间与相分离时间较长等问题。因此,本文采用微通道技术对离子液体萃取汽油脱硫过程进行强化研究,讨论了微通道技术对萃取过程的强化作用,分析了两相流型变化规律,对管路内径、流型、停留时间、体系温度等对脱硫效率的影响进行了研究,并针对萃取级数对脱硫效果的影响进行探究。结果表明,在管路内径为0.5mm、停留时间60s、剂油流量比0.5:1(即剂油质量比1:1)的操作条件下,MSA型离子液体的萃取脱硫效率为66.30%,有效的提高了传统间歇萃取操作中离子液体的脱硫率。在相同萃取效率下,微通道技术利用限域作用强化萃取过程,能将传统间歇萃取系统所需萃取时间缩短97%以上,剂油质量比降低1倍,且油品收率升高3%,减少了 ILs用量与设备成本,解决了离子液体相/油相接触不充分的问题。采用甲基叔丁基醚(MTBE)对MSA型离子液体进行再生性研究,设计了微通道MSA型离子液体萃取脱硫-MTBE再生循环工艺流程。再生后的离子液体通过FT-IR与1HNMR表征对比,表明萃取前后化学结构没有发生变化,其脱硫性能也没有明显降低。此外还就不同产地的油品进行[C4(MIM)](MSA)适应性研究。结果表明,[C4(MIM)](MSA)对不同地区的油品均表现出较高的萃取脱硫效果,具有良好的适应性。