萃取精馏法分离乙醇水体系的实验研究及流程模拟
乙醇是一种重要的有机溶剂,可以用作清洁液体燃料,还可以用作重要的化工生产原材料,但是乙醇极易与水形成共沸物,采用传统的分离技术,不能得到高纯度的乙醇产品。萃取精馏技术很好的解决了这个问题,他综合了溶剂萃取(分离效率高)和精馏(操作简单、处理能力大)的双重优点。 对萃取精馏过程来说,萃取剂的选择很重要。离子液体具有独特的优势,例如非挥发性、盐效应、高分离性能、可再生性、室温下是液体状态、热稳定性、化学稳定性等,在近年来萃取精馏分离烷烃/烯烃物系、醇/芳香烃物系、醇/水物系以及其他物系的研究中,离子液体的应用和研究取得了很大的发展。到目前为止,所有的乙醇/水物系分离的离子液体萃取剂都集中在使用单一离子液体,但是分离效果有限。现在工业上采用乙二醇作为萃取剂,但是其分离效果不佳,且溶剂比大,溶剂损失大。由此,本文提出两种复合萃取剂,分别是：离子液体加固体无机盐、乙二醇加离子液体。从大量的研究结果来看,[EMIM]+[Ac]-的分离效果最佳,同时考虑到他的高熔点和低粘度,本论文中选择[EMIM]+[Ac]-作为复合萃取剂中的离子液体。本论文中提出的新的复合萃取剂可以推广到其他的含水物系的分离应用中去,这是因为他们的分离机理是一致的。 本论文工作的主要内容可以分为以下几部分：1)针对提出的离子液体加固体无机盐的复合萃取剂,我们提供了10种固体无机盐进行研究,采用实验(等压条件下101.3kPa的汽液平衡实验)加计算(COSMO-RS模型计算)相结合的方法筛选出分离效果最好的一种无机盐,进而做全浓度的汽液平衡实验,得到全面的实验数据,为工业生产、设备设计、工艺优化等提供重要的基础数据；2)针对提出的乙二醇加离子液体的复合萃取剂,研究其分离性能的优劣,采用实验的方法(等压条件下101.3kPa的汽液平衡实验),得到全浓度范围内汽液平衡实验数据；3)基于得到的实验结果,在分子水平(密度泛函理论和COSMO-RS理论)上,采用高斯软件和COSMO-thennX软件,从结合能、σ分布、混合焓等方面对新的复合萃取剂其优越的分离性能进行理论分析；4)比较几种不同的萃取剂(乙二醇、离子液体、乙二醇加离子液体、离子液体加固体无机盐)分离能力的大小顺序,对萃取剂的选择提供重要的基础实验数据；5)使用化工流程模拟软件Aspen Plus对萃取精馏过程进行流程概念设计及模拟计算,分析能耗情况、溶剂比、回流比、乙醇产品纯度等。其中,需要有二元交互作用参数,本论文使用NRTL模型关联实验数据得到。这样,本论文工作包括了分子水平到工业规模。 本论文的研究结果如下：1)分别与两种基准萃取剂(离子液体[EMIM]+[Ac]-、乙二醇)相比较,两种复合萃取剂都提高了分离效果,而且随着萃取剂添加量的增大(包括复合萃取剂添加量增大以及复合萃取剂中固体无机盐或离子液体添加量增大),乙醇对水的相对挥发度增大,分离效果提高；2)利用密度泛函理论和COSMO-RS模型理论,对本论文中得到的实验结果在分离机理方面给予了定性分析和解释；3)选择NRTL模型关联汽液平衡实验数据,得到二元交互作用参数,为工业生产、设备设计、工艺改进优化提供了主要的数据,并且平均相对偏差(ARD)均在允许范围内(均小于10%),这说明了该模型适合本论文中所研究的体系；4)通过Aspen Plus软件,对新的工艺流程进行流程概念设计和模拟计算,得出如下结论：以达到相同的产品(乙醇)纯度和采出率要求为前提,与单独使用离子液体比较,复合萃取剂(离子液体[EMIM]+[Ac]-加固体无机盐醋酸钾)能耗降低了19.04%(无热集成),]9.75%(有热集成)；与单独使用乙二醇比较,复合萃取剂(乙二醇加离子液体[EMIM]+[Ac]-)能耗降低了15.02%(无热集成),16.51%(有热集成),均达到了节能减排的目的。这里需要指出的是,复合萃取剂(离子液体[EMIM]+[Ac]-加固体无机盐醋酸钾)与复合萃取剂(乙二醇加离子液体[EMIM]+[Ac]-)相比较,在工艺流程方面,后者不改变原来流程,也就是说不会增加设备费用和增加另外的物流。但是前者需要在溶剂回收时使用闪蒸罐来代替精馏塔,工艺流程有了改变。
