芳烃同分异构体模拟移动床吸附分离性能的分子模拟和实验研究

【摘要】：模拟移动床技术在芳烃同分异构体分离领域具有良好的应用前景，而高效的吸附剂和脱附剂是实现该工艺的关键。本文通过吸附剂的制备和表征、动态吸附实验研究和分子模拟计算三方面的工作，系统地考察了二甲苯、二氯苯和甲酚三个芳烃同分异构体体系在FAU分子筛上的模移动床吸附分离性能。 采用对NaY分子筛进行离子交换的方法制备了KY吸附剂，对样品进行火焰光度分析和X射线衍射（XRD）测试，利用衍射角2θ=20.3°位置上XRD峰强度、峰面积在全谱图范围内的百分比与钾离子交换度的线性关系实现了钾离子交换度的定量测定。 分别以NaY和KY分子筛作为吸附剂，以对二乙苯、邻二甲苯以及3-戊酮和正丁醇的混合溶液作为脱附剂，采用固定床脉冲实验的方法评价二甲苯、二氯苯和甲酚同分异构体混合物的模拟移动床吸附分离性能。结果表明，KY分子筛提高了对二甲苯和邻二氯苯在各自体系中的吸附分离选择性，而对于甲酚体系没有分离效果。3-戊酮和正丁醇的混合溶液消除了甲酚体系的浓度曲线峰拖尾现象，其脱附作用明显好于邻二甲苯。 在分子模拟工作中，采用不同的空间群建立X和Y型分子筛骨架结构，利用能量最小化方法确定碱金属、碱土金属、过渡金属及其混合离子在晶胞中的位置，分别利用QEq和轨道电负性平衡方法计算分子筛晶胞和吸附质分子的电荷分布。在确定模拟用分子筛结构的可靠性与准确性的基础上，采用MD和MM相结合的方法系统地计算了三个芳烃同分异构体体系在交换有不同离子的X、Y型分子筛上的吸附构象和吸附热，计算结果与脉冲实验和文献报道情况一致。同时考察了甲酚体系在全硅MFI和FER分子筛上的吸附分离性能。在详细分析吸附和脱附机理的基础上，提出采用二价铜离子交换改性的X型分子筛可望实现对二氯苯的模拟移动床分离，采用全硅FER分子筛可望实现间甲酚的择形分离。 本文工作结果表明，通过分子模拟研究能够有效地为模拟移动床吸附分离芳烃同分异构体的吸附剂和脱附剂开发、选取工作提供方向。