【摘 要】
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四氢呋喃与甲醇是化工生产过程中的重要溶剂,其混合物在制药行业的废水中大量存在。常压下四氢呋喃和甲醇混合会形成最低共沸物,通过一般精馏的方法无法对其进行有效的分离。在特殊精馏方法中,由于萃取精馏操作简单,可控性强,被广泛的应用于共沸物系的分离中。萃取精馏过程的关键在于萃取剂的选择,对比传统萃取剂,离子液体因其蒸气压低、环境友好、可设计等优势被广泛关注与应用。然而,由于离子液体中阴阳离子的种类庞大,一
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四氢呋喃与甲醇是化工生产过程中的重要溶剂,其混合物在制药行业的废水中大量存在。常压下四氢呋喃和甲醇混合会形成最低共沸物,通过一般精馏的方法无法对其进行有效的分离。在特殊精馏方法中,由于萃取精馏操作简单,可控性强,被广泛的应用于共沸物系的分离中。萃取精馏过程的关键在于萃取剂的选择,对比传统萃取剂,离子液体因其蒸气压低、环境友好、可设计等优势被广泛关注与应用。然而,由于离子液体中阴阳离子的种类庞大,一种高效并准确的筛选具有高分离选择性和高溶解性的离子液体的方法被需要,并且应用该方法筛选出的离子液体需能够进行萃取精馏工艺流程模拟,基于此目的,本文主要的研究内容如下:（1）通过COSMOtherm X软件筛选了由24种阳离子与24种阴离子自由组合成的576种离子液体。基于COSMO-RS模型,以高分离选择性与高溶解度为目标对离子液体进行筛选。结果显示以[OAc]-为阴离子的离子液体的分离性能优异,结合离子液体在共沸组分中的溶解度,1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[BMIM][OAc]）和1-己基-3-甲基咪唑醋酸盐（[HMIM][OAc]）作为较为适宜的离子液体被用来分离四氢呋喃-甲醇共沸物系。（2）常压下,通过相平衡釜实验法对四氢呋喃-甲醇、四氢呋喃-甲醇-离子液体的气液相平衡数据进行了测量。二元体系的实验结果表明实验装置是可靠的,三元体系的实验结果表明两种离子液体的加入均能使气相中四氢呋喃的摩尔分数增大,并且该现象随着离子液体摩尔分数的增大更加明显,最终四氢呋喃-甲醇间的共沸被打破。使用NRTL活度系数模型对实验数据进行关联拟合,通过Levenberg-Marquardt方法对实验值与拟合值进行最小化回归,拟合结果的偏差均小于3%,该结果表明NRTL模型适用于含离子液体的三元体系。使用NRTL模型预测打破共沸所需的离子液体的最小摩尔分数为[BMIM][OAc]=0.028;[HMIM][OAc]=0.029,对比两种离子液,[BMIM][OAc]打破四氢呋喃-甲醇共沸的能力更强。（3）使用Aspen Plus软件对四氢呋喃-甲醇-[BMIM][OAc]/[HMIM][OAc]连续萃取精馏工艺流程进行设计和优化并对两种萃取剂的分离能力进行评价。使用序贯迭代法,通过使目标函数-年度总花费（TAC）最小,对萃取精馏过程进行优化。四氢呋喃和甲醇的产品质量分数均设定为99.9%。考察了两种萃取剂的用量和年度总花费,结果表明以[BMIM][OAc]和[HMIM][OAc]作为萃取剂的萃取精馏过程的萃取剂用量和年度总花费分别是18.8 kmol/h,5.459×10~5$/y和25.3 kmol/h,5.828×10~5$/y。（4）使用Gaussian 09软件计算[BMIM][OAc]/[HMIM][OAc]与四氢呋喃/甲醇之间相互作用能,对离子液体的分离机理进行分析。结果显示,相比于四氢呋喃和甲醇间原有的相互作用,离子液体分别与四氢呋喃和甲醇发生更强的相互作用,因此溶质间原本的相互作用被破坏,因而溶质间的共沸能被离子液体打破。四氢呋喃与离子液体的相互作用能小于甲醇与离子液体的相互作用能,因此在萃取精馏过程中四氢呋喃作为易挥发组分被先分离而甲醇作为难挥发组分被后分离。
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