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低共熔溶剂应用于水-乙醇-异丙醇体系分离的研究

崔林芳  
【摘要】:乙醇、异丙醇是日常生活和工业中的基础化学材料,被广泛用作溶剂或医药中间体。在一些化工生产过程中需要引入乙醇和异丙醇,在后处理过程也需要对这两者形成的混合物进行分离。本文以乙醇、异丙醇和水的溶剂脱水为研究背景,对萃取精馏分离水、乙醇、异丙醇混合物进行了研究。使用萃取精馏分离混合物,夹带剂的选择是关键步骤。在这项工作中评估了乙二醇、甘油和一些混合溶剂的夹带剂性能。在p=101.3 k Pa下测定了四元和五元体系的等压汽液平衡数据,并使用NRTL方程成功建立了模型。讨论了乙二醇、甘油和混合溶剂对挥发性关键组分相对挥发度和活度系数的影响。使用Aspen Plus化工模拟软件对体系进行过程模拟,为工业化提供理论依据。基于NRTL方程对汽液平衡数据进行了关联,结果表明,实验得到的数值和计算值符合很好。对于水(1)+乙醇(2)+异丙醇(3)+乙二醇(4)体系,温度和气相组成偏差为δT=0.28 K、δy_1=0.0008、δy_2=0.0031、δy_3=0.0057;对于水(1)+乙醇(2)+异丙醇(3)+乙二醇(4)+氯化胆碱(5)分别为δT=0.18 K、δy_1=0.0007、δy_2=0.0017、δy_3=0.0043;对于水(1)+乙醇(2)+异丙醇(3)+甘油(4)体系,温度和气相组成偏差为δT=0.20 K、δy_1=0.0005、δy_2=0.0030、δy_3=0.0034;对于水(1)+乙醇(2)+异丙醇(3)+甘油(4)+氯化胆碱(5)分别为δT=0.15 K、δy_1=0.0004、δy_2=0.0026、δy_3=0.0028。实验结果表明,对比仅使用乙二醇或甘油,使用低共熔溶剂作为夹带剂分离水-乙醇-异丙醇体系显示出更好的效果。随着氯化胆碱的加入,可以观察到水的活度系数更快的下降以及乙醇、异丙醇的活度系数增加,从而导致乙醇、异丙醇对水的相对挥发度增加的更快,更利于脱水。将质量分数为1.7%的水、20%的乙醇和78.3%异丙醇,总流量为1000 kg·h~(-1)的混合溶液作为分离对象,分别以低共熔溶剂甘油+氯化胆碱2∶1和甘油作为夹带剂,采用NRTL活度系数模型,用实验数据优化得到的二元相互作用参数作为该模型参数,用Aspen Plus化工模拟软件对水-乙醇-异丙醇体系进行萃取精馏过程模拟及优化,模拟结果表明:采用相同的理论塔板数、原料进料位置、回流比、溶剂进料位置等工艺参数,使用甘油+氯化胆碱2∶1作为夹带剂比仅使用甘油,不仅夹带剂的用量少而且节约了8.8%的能耗。从夹带剂的分离性能和经济环保考虑,用低共熔溶剂甘油+氯化胆碱2∶1作为夹带剂萃取精馏分离水-乙醇-异丙醇体系效果更好。本文为低共熔溶剂应用于水-乙醇-异丙醇体系的分离提供了可靠的基础数据。


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