N-甲酰嗎啉抽提芳烴體系相平衡及過(guò)程模擬研究.pdf

1、本文以優(yōu)良的新型芳烴抽提劑N-甲酰嗎啉(NFM)在萃取抽提過(guò)程中的應(yīng)用為背景，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了大量的相平衡數(shù)據(jù)，全面地考察了NFM抽提性能；以相平衡的條件為依據(jù)，建立了NFM抽提體系平衡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)優(yōu)化方法得到了熱力學(xué)模型方程的作用參數(shù)；在此基礎(chǔ)上圍繞相平衡組成、臨界點(diǎn)以及抽提過(guò)程模擬計(jì)算等方面，探討了熱力學(xué)模型方程在抽提體系中的應(yīng)用。 1、相平衡的測(cè)定及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溫度下NFM分別與庚烷、環(huán)己烷以及甲基環(huán)

2、己烷之間的相互溶解度，以及烷烴(庚烷，環(huán)己烷，甲基環(huán)己烷)+芳烴(苯，甲苯)+NFM六個(gè)體系在多個(gè)溫度下的三元相平衡數(shù)據(jù)。相互溶解度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度升高，NFM與烷烴(庚烷，環(huán)己烷，甲基環(huán)己烷)之間的相互溶解增大，相互溶解度順序?yàn)榄h(huán)己烷>甲基環(huán)己烷>庚烷。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所建立的三元液液平衡相圖表明，該類相圖具有熱力學(xué)相平衡類型Ⅰ的特征，NFM與芳烴和烷烴組成的體系存在較大的相平衡區(qū)域，從而NFM能滿足抽提溶劑的要求。Othmer-Tobi

3、as和Bachman方程對(duì)三元體系相平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致可靠性。 2、N-甲酰嗎啉抽提性能研究。系統(tǒng)地研究了NFM的抽提性能，考察了分配系數(shù)，選擇性以及分離因子隨溫度和進(jìn)料中芳烴含量之間的變化關(guān)系。結(jié)果表明NFM對(duì)芳烴具有良好的抽提性能，苯的分配系數(shù)、分離因子和選擇性分別高達(dá)0.99，12.4和5.2；對(duì)于甲苯，也能達(dá)到0.85，9.6和3.4。溫度升高，有利于芳烴的分配系數(shù)增加，而分離因子和選擇性卻

4、呈下降的趨勢(shì)；在兩相共存區(qū)域內(nèi)，進(jìn)料中芳烴的含量增加使芳烴的分配系數(shù)增大，但其選擇性隨之減小。 3、相平衡的熱力學(xué)模型研究與組成計(jì)算。以相平衡穩(wěn)定性條件為出發(fā)點(diǎn)，建立了NFM抽提體系平衡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型；針對(duì)非線性目標(biāo)函數(shù)難以得到全局最優(yōu)解的問(wèn)題，采用相平衡體系的Gibbs自由能最小原則，給定多個(gè)初值的方法以及共軛梯度算法回歸等措施，求出了各體系的熱力學(xué)模型方程(改進(jìn)的NRTL和UNIQUAC)的參數(shù)，確保了所獲得的參數(shù)為全局近似最

5、優(yōu)解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物料守恒方程用Broyden算法對(duì)各體系平衡組成進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值非常吻合。對(duì)于烷烴-NFM二元體系，NRTL方程的偏差在0.0104-0.0817之間，UNIQUAC方程的偏差在0.0182～0.7105之間，而在烷烴-芳烴-NFM的三元體系中，NRTL和UNIQUAC方程的偏差分別在0.0110～0.0937和0.0133～0.1471之間，大大低于文獻(xiàn)中規(guī)定的1.37的值。由此可見(jiàn)，改進(jìn)的N

6、RTL方程比UNIQUAC方程更能有效地描述體系的相行為。 4、平衡體系臨界點(diǎn)的估算。以上述熱力學(xué)模型回歸參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)二元體系和三元體系臨界點(diǎn)計(jì)算進(jìn)行了理論研究，分別用NRTL和UNIQUAC兩個(gè)模型方程給出了的I臨界點(diǎn)處溫度和組成關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從理論上獲得了各體系相平衡曲線上的臨界點(diǎn)值，為實(shí)際抽提過(guò)程中避免在臨界點(diǎn)附近操作提供參考依據(jù)。 5、熱力學(xué)模型在抽提過(guò)程模擬計(jì)算。將NRTL和UNIQUAC方程與經(jīng)典的萃取

7、塔模型和流率加和算法相結(jié)合，對(duì)NFM萃取抽提芳烴過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明：在優(yōu)化條件下，NFM能從烷烴中很好地分離出芳烴；在能產(chǎn)生液液相分離的前提下，溫度升高和溶劑比增加有利于抽提過(guò)程；在給定進(jìn)料條件下，在溶劑比為2.875時(shí)，庚烷-NFM溶劑體系內(nèi)，溫度為353K，理論板數(shù)為8，芳烴的回收率可達(dá)95％以上；在環(huán)己烷-NFM溶劑內(nèi)，溫度在298K，理論板為8時(shí)芳烴回收率達(dá)到96％以上；在溫度為353K、理論塔板數(shù)為15，芳烴在甲基環(huán)己