【摘要】：空氣是由N2、O2及其他氣體組成的混合物,當(dāng)其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí),水蒸氣含量通常是一個(gè)重要指標(biāo)。例如采用空分裝置以空氣為原料制備N2和O2時(shí),空氣的含水量要控制在很低的水平,防止水蒸氣結(jié)冰損壞裝置。因此,脫除空氣中的水分是十分必要的。鑒于傳統(tǒng)方法用于空氣脫水時(shí)存在不同缺點(diǎn),本文采用離子液體(IL,下同)為吸收劑進(jìn)行空氣脫水。通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法篩選適合空氣脫水的離子液體,設(shè)計(jì)合理的工藝流程,優(yōu)化工藝參數(shù),在保證深度脫水的同時(shí)實(shí)現(xiàn)流程的節(jié)能降耗。第一,本研究使用COSMOthermX軟件計(jì)算N2、O2以及H2O在240種IL中的活度系數(shù),以及N2/H2O、O2/H2O在IL中的選擇性。結(jié)合IL的其他物理性質(zhì),最終確定1-乙基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽([EMIM][BF4])為適合空氣脫水的吸收劑,并進(jìn)一步計(jì)算電荷分布(σ-profiles)及混合焓,從分子層面上分析[EMIM][BF4]脫水原理。第二,對(duì)于優(yōu)選的離子液體,通過平衡實(shí)驗(yàn)法測(cè)定不同溫度壓力下N2和 02在[EMIM][BF4]及含少量水的[EMIM][BF4]溶液(2wt%H20)中的溶解度,考察N2和02在兩種溶液中的溶解情況。采用改進(jìn)的UNIFAC(Mod.UNIFAC)模型擬合實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)獲得基團(tuán)相互作用參數(shù),用于相平衡特性預(yù)測(cè)及Aspen Plus等流程模擬軟件進(jìn)行流程設(shè)計(jì)與優(yōu)化。第三,通過空氣脫水裝置進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn),考察離子液體用于空氣脫水的實(shí)際效果。實(shí)驗(yàn)探究了 IL流量、初始含水量和種類對(duì)空氣脫水效果的影響。在Aspen Plus中建立離子液體空氣脫水的吸收塔數(shù)學(xué)模型,輸入相應(yīng)的Mod.UNIFAC模型基團(tuán)相互作用參數(shù),并設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相同的操作參數(shù),完成流程模擬。通過比較模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。最后,通過Aspen Plus軟件進(jìn)一步設(shè)計(jì)IL用于空氣干燥脫水的工藝流程,并對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定最優(yōu)的工藝條件。同時(shí)設(shè)計(jì)并優(yōu)化傳統(tǒng)的三甘醇為吸收劑的空氣脫水工藝流程,將兩種流程的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,考察IL用于空氣脫水工藝流程在節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明與三甘醇脫水流程相比,[EMIM][BF4]離子液體空氣干燥流程具有脫水效率高(98%)、N2和O2的回收率高(N2和O2的回收率分別為99.99%和99.81%)、無吸收劑損耗等特點(diǎn),同時(shí)加熱和冷凝能耗分別降低77.89%和78.69%,在節(jié)能降耗方面優(yōu)勢(shì)明顯。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O645.1;TQ116.1
【圖文】：

本文利用ＣＯＳＭＯｔｈｅｒｍＸ軟件由ＣＯＳＭＯ－ＲＳ模型計(jì)算［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］與Ｈ２０的溶逡逑液的混合焓，二元混合物（［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］邋＋邋Ｈ２０）在２９８．１５邋Ｋ下的混合焓計(jì)算結(jié)果如逡逑圖２４。逡逑５０００邋邐逡逑４０００邋－逡逑３０００邋－邐＼逡逑｜邋２０００邋－邋＼逡逑卜＾逡逑邐１逡逑－，000邋－邐／／ｍ（ｖｄＷ）逡逑－２０００邋邐＞邐１邐？邐１邐邐邐＊邐？邐１邐？邐逡逑０．０邐０．２邐０．４邐０．６邐０．８邐１．０逡逑ＸＵ２０逡逑圖２－４邋２９８．１５邋Ｋ下二元混合物Ｈ２０＋邋［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］的混合焓逡逑Ｆｉｇ．邋２－４邋Ｅｘｃｅｓｓ邋ｅｎｔｈａｌｐｉｅｓ邋ｏｆ邋ｂｉｎａｒｙ邋ｍｉｘｔｕｒｅｓ邋Ｈ２Ｏ＋邋［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］邋ａｔ邋２９８．１５邋Ｋ逡逑由圖２４中可以看出，［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］與Ｈ２０溶液的混合焓的值在整個(gè)組成范圍內(nèi)逡逑為負(fù)值，即［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］與水的混合是放熱過程，三種作用力中氫鍵起主要作用，范逡逑德華作用力次之，靜電力作用力影響最小，因此，低溫有利于離子液體吸收水分�；戾义虾响手衅鹬鲗�(dǎo)作用的氫鍵作用力與ｏ－ｐｒｏｆｉｌｅｓ中離子液體與水形成氫鍵的結(jié)果是一致逡逑的，說明了［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］為吸收劑進(jìn)行空氣干燥脫水的可行性。逡逑２．３本章小結(jié)逡逑利用ＣＯＳＭＯｔｈｅｒｍＸ軟件模型計(jì)算了邋Ｎ２、０２及Ｈ２０在２４０種ＩＬ中的亨利常數(shù)逡逑及選擇性，通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果，綜合考慮熱穩(wěn)定性、粘度、成本等因素，確定適合空逡逑氣干燥脫水的離子液體［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］。該離子液體比較常見

子的骨架和陰離子被看作一個(gè)電中性的基團(tuán)，該種拆分方法保持了邋ＵＮＩＦＡＣ模型的原逡逑始方程形式，采用雷志剛教授實(shí)驗(yàn)組的方法［１（）２，１（）３］。本文涉及的［ＥＭＩＭ］［ＢＦ４］拆分結(jié)果逡逑如圖３－２所示。其他組分Ｎ２、０２以及Ｈ２０在模型中以單個(gè)分子作為一個(gè)基團(tuán)。逡逑２３逡逑

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本文編號(hào)：2722822