关键词：
正丙醇
离子液体
萃取精馏
COSMO-RS
过程模拟及优化
摘要：
正丙醇(NPA)是一种非常重要的化工原料和溶剂,具有强溶解性和防腐特性,在化工、医药、化妆品等行业中占有重要地位。NPA-水混合物常存在于上述过程中,如何以最小经济成本分离该混合物是提高相关工艺效益的一个亟待解决的问题。然而,NPA-水混合物在常压下360.15 K时存在最低共沸点,共沸组成NPA摩尔含量0.43,且该共沸点对压力不敏感,即难以采用变压精馏分离该共沸混合物。因此本文研究了以离子液体为添加剂的萃取精馏分离NPA-水工艺流程,并针对此体系对离子液体添加剂的筛选进行了相关研究,将筛选后的离子液体应用于过程模拟与优化,取得了满意的效果。采用Aspen Plus软件对NPA-水萃取精馏工艺进行研究,以NRTL活度系数模型计算该体系的相对挥发度、汽液相平衡等热力学性质,通过比较说明1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸盐[EMIM][SCN]作为添加剂的优势。采用萃取精馏塔+闪蒸罐的分离流程进行过程模拟,优化时以单位产品能耗FEC和年度总花费TAC为目标函数,对分离过程的操作参数进行优化,并进一步分析了二氧化碳排放和分离效率对萃取精馏过程的影响规律,结果表明,与常规有机溶剂相比,此离子液体工艺具有低碳环保、资源节约的优点。为了探究是否存在分离效果更佳的离子液体添加剂,本文做了进一步的离子液体筛选。利用COSMO-RS模型预测并比较了由7种阳离子和6种阴离子自由组合成的42种离子液体对NPA-水混合物汽液相平衡的影响,从表面电荷密度、自由能等微观角度分析了离子液体促进NPA-水分离机理。然后从离子液体结构可设计性出发,通过分析结构改变对分离能力的影响规律,表明增加阳离子支链长度、侧链个数均不利于二者的分离,故应严格控制离子液体中阳离子支链长度和侧链个数。另外,相互作用能分析表明,1,3-二甲基咪唑甲基硫酸盐[MMIM][MS]与水的结合能力最大,固能使更多的水留在液相,增大NPA对水的相对挥发度,从而打破NPA与水的共沸点而实现混合物分离。将筛选出的[MMIM][MS]导入Aspen,进行热力学一致性验证,结果与实验值吻合良好。基于相对挥发度、三元相图,说明了[MMIM][MS]比其它三个离子液体分离能力强。以两步优化法对分离流程的操作参数进行优化,得到最佳工艺条件,从能源消耗、环境影响的四个指标分别与共沸精馏工艺、二甲基亚砜工艺、乙二醇工艺、[EMIM][SCN]工艺进行比较。结果表明,筛选出的离子液体工艺无论在经济上还是对环境友好上都具有明显的优势。所筛选的离子液体能有效地实现NPA-水混合物的分离,达到经济节约、环保低碳的目的,对工业实践有较强的借鉴与指导意义。
