离子液体-乙醇-乙酸异丙酯汽液相平衡实验研究及分离工艺开发

作     者：胡席伟 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵洪康

授予年度：2024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] 081701[工学-化学工程] 0703[理学-化学] 

主      题：汽液平衡 离子液体 萃取精馏 流程模拟 

摘      要：乙醇与乙酸异丙酯作为工业中重要的化工原料,常压下二者混合存在共沸点,需采用特殊精馏手段进行分离。而萃取精馏是工业上分离共沸物系的常用方法,离子液体作为一种新型绿色萃取剂可用于萃取精馏,但其对乙醇及乙酸异丙酯的分离影响不明确。因此,通过实验测定体系汽液相平衡（Vapor-liquid equilibrium,VLE）数据,探究不同离子液体作为萃取剂的分离效果,对工业上以离子液体作为萃取剂分离乙醇与乙酸异丙酯具有重要的指导意义。本论文具体研究如下: （1）选择2种有机溶剂和2种离子液体作为萃取剂,测定萃取剂-乙醇-乙酸异丙酯体系的相平衡数据。实验结果表明,[BMIM][OAC]及[EMIM][OAC]离子液体的分离效果显著优于EG和DMSO,在摩尔浓度为0.1时完全打破共沸,且随离子液体浓度增加,乙醇与乙酸异丙酯的相对挥发度随之增大,二者更易分离。 （2）采用NRTL、WILSON及UNIQUAC三种热力学活度系数模型对实验数据关联,并比较关联偏差选择合适模型对体系的汽液平衡行为进行描述。结果显示,三种模型均能够关联二元体系数据,偏差均可接受;对含有EG及DMSO萃取剂的三元体系,WILSON模型的关联偏差最小,ARD分别为1.81%和2.15%;对于含有[BMIM][OAC]及[EMIM][OAC]萃取剂的三元体系,NRTL模型的关联偏差最小,分别为4.19%和4.26%。 （3）基于前两章内容研究,开展了以离子液体为萃取剂的萃取精馏工艺和变压精馏工艺分离乙醇与乙酸异丙酯的研究,并采用粒子群优化（PSO）算法,以最小工艺TAC为目标,得到方案的TAC和最佳操作参数。其中变压精馏工艺的TAC为1917.0 k$/year,而通过热集成后,方案的TAC降低了34.69%。以[BMIM][OAC]和[EMIM][OAC]为夹带剂的萃取精馏工艺的TAC分别为765.38 k$/year及694.15 k$/year,远低于变压精馏的TAC。 （4）分别从经济、能耗、环境以及热力学效率四个角度对上述四种工艺开展综合评价。以[EMIM][OAC]为夹带剂的萃取精馏工艺在四个方面均具有优势。相比于次优的[BMIM][OAC]萃取精馏工艺,[EMIM][OAC]萃取精馏工艺的TAC降低了9.31%,能耗降低了4.83%,CO2排放量减少了9.40%,热力学效率提高了29.53%。