本文關(guān)鍵詞：離子液體體系熱力學(xué)模型及碳捕集過(guò)程模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：離子液體具有極低的蒸汽壓、良好的熱穩(wěn)定性和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn),已成為能源、催化、分離等多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而由于離子液體種類繁多,基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)及熱力學(xué)模型的缺乏,極大阻礙了離子液體新工藝的設(shè)計(jì)、開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定可以獲得準(zhǔn)確可靠的物性數(shù)據(jù),但對(duì)于數(shù)目龐大的離子液體體系而言,完全依賴實(shí)驗(yàn)顯然不切實(shí)際,因此開發(fā)合適的物性和熱力學(xué)預(yù)測(cè)模型具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文在基團(tuán)貢獻(xiàn)法和對(duì)應(yīng)態(tài)原理等熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,提出了適用于離子液體體系的物性及相平衡預(yù)測(cè)新模型,進(jìn)一步建立了離子液體新工藝的模擬與評(píng)價(jià)方法,并以離子液體法捕集分離CO2工藝為例,優(yōu)化了工藝參數(shù)并開展了技術(shù)-經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析研究,為低能耗、低成本的碳捕集技術(shù)的開發(fā)提供了理論依據(jù)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：(1)離子液體及其混合物體系的物性預(yù)測(cè)。針對(duì)離子液體陰陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)和帶電特性,提出基于“離子片”的劃分策略,得到46種離子片和基團(tuán)；結(jié)合對(duì)應(yīng)態(tài)原理,基于490種離子液體的密度數(shù)據(jù)擬合得到了一套新的離子片／基團(tuán)貢獻(xiàn)參數(shù),并建立了用于預(yù)測(cè)離子液體體系物性的離子片貢獻(xiàn)-對(duì)應(yīng)態(tài)(FC-CS)新方法。利用FC-CS方法計(jì)算得到了538種離子液體的沸點(diǎn)、臨界溫度、臨界壓力、臨界體積和偏心因子,從而為對(duì)應(yīng)態(tài)原理在離子液體中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文進(jìn)一步擴(kuò)展了FC-CS方法的應(yīng)用范圍,采用對(duì)應(yīng)態(tài)方程預(yù)測(cè)了離子液體純組分及混合離子液體的密度和表面張力,對(duì)6150個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均預(yù)測(cè)偏差小于4%,預(yù)測(cè)效果良好；提出了預(yù)測(cè)熱容和熱導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)態(tài)新方程,平均預(yù)測(cè)偏差小于4%。以上研究結(jié)果證明了離子片劃分策略的合理性,以及FC-CS方法對(duì)于離子液體純組分及混合離子液體物性預(yù)測(cè)的適用性。(2)離子液體與分子溶劑混合物體系的物性預(yù)測(cè)�；贔C-CS方法,結(jié)合混合規(guī)則及對(duì)應(yīng)態(tài)原理,發(fā)展了不含可調(diào)參數(shù)的密度方程,對(duì)63個(gè)二元及三元離子液體-分子溶劑體系密度(1985個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))的平均預(yù)測(cè)偏差為0.92%。針對(duì)離子液體-分子溶劑體系的表面張力、熱容及熱導(dǎo)率分別提出僅含一個(gè)特征參數(shù)的方程,平均預(yù)測(cè)偏差均小于2%。除了采用基于熱力學(xué)理論的模型,本文也將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于離子液體-分子溶劑體系的性質(zhì)預(yù)測(cè),對(duì)密度、表面張力、熱容和熱導(dǎo)率的計(jì)算偏差均小于0.5%,進(jìn)一步提高了離子液體與分子溶劑混合物性質(zhì)的預(yù)測(cè)精度。(3)離子液體-分子溶劑體系的汽液相平衡預(yù)測(cè)。在考慮離子液體部分電離特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合電解質(zhì)溶液的PDH (Pitzer-Debye-Huckel)模型和傳統(tǒng)的UNIFAC模型,建立了基于離子片的UNIFAC模型,擬合得到了離子片與分子基團(tuán)之間新的交互作用參數(shù),預(yù)測(cè)了8個(gè)含離子液體的二元體系中分子溶劑的活度系數(shù)(265個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)),平均偏差為2.2%。以上結(jié)果證明了離子片劃分方式的合理性,以及基于離子片的UNIFAC模型對(duì)離子液體-分子溶劑體系汽液相平衡預(yù)測(cè)的適用性。(4)離子液體法吸收CO2體系的相平衡研究。為了建立離子液體-乙醇胺(MEA)復(fù)配溶劑吸收CO2體系的相平衡計(jì)算模型,本文基于RK (Redlich-Kwong)方程和NRTL模型,通過(guò)關(guān)聯(lián)三種離子液體([Bmim] [BF4]、[Bmim] [DCA]和[Bpy] [BF4])NRTL吸收CO2的氣液相平衡數(shù)據(jù),得到了CO2在離子液體中溶解的亨利系數(shù)及NRTL二元交互作用參數(shù),計(jì)算的平均偏差小于0.9%；建立了一套測(cè)定互溶體系汽-液平衡(沸點(diǎn))的實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)定了MEA、H20與以上三種離子液體的汽液平衡數(shù)據(jù),并通過(guò)NRTL模型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),得到了離子液體與H20及MEA的NRTL二元交互作用參數(shù),體系壓力的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值平均偏差為0.8%。(5)離子液體清潔工藝的過(guò)程模擬與評(píng)價(jià)�；诒疚慕⒌臒崃W(xué)模型,進(jìn)-步建立了離子液體體系的過(guò)程模擬與評(píng)價(jià)方法。以離子液體法分離CO2工藝為例,利用Aspen Plus為計(jì)算平臺(tái),對(duì)三種離子液體([Bmim] [BF4]、[Bmim] [DCA]和[Bpy][BF4])與MEA的復(fù)配溶劑吸收CO2工藝進(jìn)行了過(guò)程模擬。結(jié)果表明,基于離子液體[Bpy][BF4]的復(fù)配溶劑在貧液負(fù)荷為0.2時(shí),解吸能耗最小(3.17GJ/t CO2),較傳統(tǒng)MEA工藝可降低15%。在此基礎(chǔ)上,對(duì)使用[Bpy][BF4]復(fù)配溶劑的離子液體工藝進(jìn)行了流程改進(jìn),增加了吸收塔段間冷卻和解吸塔貧液蒸汽再壓縮裝置。改進(jìn)后的離子液體工藝解吸能耗較傳統(tǒng)MEA工藝降低31%,噸CO2捕集費(fèi)用預(yù)計(jì)可降低13.5%。以上模擬與評(píng)價(jià)結(jié)果為離子液體法捕碳過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：離子液體 離子片方法 物性預(yù)測(cè) 相平衡 流程模擬與評(píng)價(jià)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(過(guò)程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O645.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 文獻(xiàn)綜述14-44
• 1.1 引言14-15
• 1.2 物性預(yù)測(cè)方法及在離子液體體系中的應(yīng)用15-32
• 1.2.1 物性預(yù)測(cè)的研究方法16-19
• 1.2.2 離子液體純組分性質(zhì)預(yù)測(cè)的研究現(xiàn)狀19-29
• 1.2.2.1 沸點(diǎn)及臨界性質(zhì)19-21
• 1.2.2.2 蒸汽壓及蒸發(fā)焓21-22
• 1.2.2.3 密度22-25
• 1.2.2.4 粘度25-26
• 1.2.2.5 表面張力26-27
• 1.2.2.6 熱容27-28
• 1.2.2.7 熱導(dǎo)率28-29
• 1.2.3 離子液體混合物性質(zhì)預(yù)測(cè)的研究現(xiàn)狀29-32
• 1.3 相平衡計(jì)算方法及在離子液體體系中的應(yīng)用32-37
• 1.3.1 相平衡的計(jì)算方法32-33
• 1.3.2 離子液體體系氣液平衡計(jì)算的研究現(xiàn)狀33-35
• 1.3.3 離子液體體系汽液平衡計(jì)算的研究現(xiàn)狀35-36
• 1.3.4 離子液體體系液液平衡計(jì)算的研究現(xiàn)狀36-37
• 1.4 化工流程模擬與評(píng)價(jià)37-39
• 1.4.1 流程模擬軟件及應(yīng)用舉例38-39
• 1.4.2 離子液體工藝的模擬與評(píng)價(jià)39
• 1.5 本論文的選題依據(jù)及研究?jī)?nèi)容39-44
• 1.5.1 選題依據(jù)及意義39-41
• 1.5.2 研究?jī)?nèi)容41-44
• 2 離子液體及其混合物體系的物性預(yù)測(cè)44-72
• 2.1 引言44
• 2.2 離子液體物性數(shù)據(jù)收集與分析44-46
• 2.3 離子片貢獻(xiàn)-對(duì)應(yīng)態(tài)(FC-CS)方法46-55
• 2.3.1 “離子片”的定義46-48
• 2.3.2 模型與計(jì)算思路48-50
• 2.3.3 計(jì)算結(jié)果與討論50-55
• 2.3.3.1 離子片/基團(tuán)貢獻(xiàn)參數(shù)50-52
• 2.3.3.2 臨界性質(zhì)計(jì)算與檢驗(yàn)52-55
• 2.3.3.3 FC-CS方法與傳統(tǒng)基團(tuán)貢獻(xiàn)法對(duì)比55
• 2.4 FC-CS方法的擴(kuò)展應(yīng)用55-69
• 2.4.1 離子液體體系密度預(yù)測(cè)56-62
• 2.4.1.1 離子液體純組分的密度預(yù)測(cè)56-60
• 2.4.1.2 混合離子液體的密度預(yù)測(cè)60-62
• 2.4.2 離子液體體系表面張力預(yù)測(cè)62-65
• 2.4.2.1 離子液體純組分的表面張力預(yù)測(cè)62-64
• 2.4.2.2 混合離子液體的表面張力預(yù)測(cè)64-65
• 2.4.3 離子液體熱容模型及預(yù)測(cè)65-67
• 2.4.4 離子液體熱導(dǎo)率模型及預(yù)測(cè)67-69
• 2.5 本章小結(jié)69-72
• 3 離子液體與分子溶劑混合物體系的性質(zhì)預(yù)測(cè)72-106
• 3.1 引言72-73
• 3.2 混合物性質(zhì)數(shù)據(jù)收集與分析73-76
• 3.3 混合物密度模型及預(yù)測(cè)76-88
• 3.3.1 擴(kuò)展的Riedel(ER)模型76-81
• 3.3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型81-85
• 3.3.3 ER模型和ANN模型的對(duì)比85-88
• 3.4 混合物表面張力模型及預(yù)測(cè)88-96
• 3.4.1 半經(jīng)驗(yàn)方程88-93
• 3.4.2 ANN模型93-95
• 3.4.3 半經(jīng)驗(yàn)方程與ANN模型的對(duì)比95-96
• 3.5 混合物熱容模型及預(yù)測(cè)96-100
• 3.5.1 半經(jīng)驗(yàn)方程96-99
• 3.5.2 ANN模型99-100
• 3.6 混合物熱導(dǎo)率模型及預(yù)測(cè)100-103
• 3.7 本章小結(jié)103-106
• 4 離子液體體系汽液及氣液相平衡的模型關(guān)聯(lián)與預(yù)測(cè)106-128
• 4.1 引言106-107
• 4.2 基于“離子片”的UNIFAC模型107-115
• 4.2.1 模型說(shuō)明107-111
• 4.2.2 模型參數(shù)的確定111-113
• 4.2.3 擬合及預(yù)測(cè)結(jié)果113-115
• 4.3 CO_2與離子液體的氣液相平衡計(jì)算115-121
• 4.3.1 計(jì)算模型115-116
• 4.3.2 計(jì)算結(jié)果及討論116-121
• 4.3.2.1 亨利系數(shù)及NRTL交互作用參數(shù)116-117
• 4.3.2.2 模型參數(shù)的可靠性檢驗(yàn)117-121
• 4.4 汽液相平衡實(shí)驗(yàn)測(cè)定與模型關(guān)聯(lián)121-126
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器121
• 4.4.2 實(shí)驗(yàn)裝置與操作步驟121-123
• 4.4.3 實(shí)驗(yàn)裝置可靠性分析123-124
• 4.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模型關(guān)聯(lián)124-126
• 4.5 本章小結(jié)126-128
• 5 離子液體法分離CO_2工藝的過(guò)程模擬與評(píng)價(jià)128-146
• 5.1 引言128
• 5.2 CO_2分離工藝的模擬128-135
• 5.2.1 原料組成129
• 5.2.2 物性方法129
• 5.2.3 流程描述129-131
• 5.2.4 單元模型選擇及流程建立131-132
• 5.2.5 關(guān)鍵參數(shù)的靈敏度分析132-135
• 5.2.5.1 吸收塔塔板數(shù)對(duì)CO_2脫除率的影響132-133
• 5.2.5.2 解吸塔塔板數(shù)對(duì)解吸能耗的影響133
• 5.2.5.3 貧液負(fù)荷對(duì)解吸能耗的影響133-135
• 5.3 離子液體法與MEA法關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比分析135-139
• 5.3.1 吸收塔內(nèi)的溫度分布135-136
• 5.3.2 解吸塔氣相流量及溫度分布136-137
• 5.3.3 循環(huán)溶劑用量對(duì)比137
• 5.3.4 冷卻水用量對(duì)比137-138
• 5.3.5 能耗對(duì)比分析138-139
• 5.4 CO_2分離工藝的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)139-144
• 5.4.1 評(píng)價(jià)方法139-142
• 5.4.1.1 年度投資成本計(jì)算139-141
• 5.4.1.2 總操作費(fèi)用計(jì)算141-142
• 5.4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果與討論142-144
• 5.5 本章小結(jié)144-146
• 6 結(jié)論與展望146-150
• 6.1 結(jié)論146-148
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)148
• 6.3 展望和建議148-150
• 符號(hào)表150-154
• 參考文獻(xiàn)154-178
• 附錄A178-184
• 附錄B184-190
• 附錄C190-200
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷及發(fā)表文章目錄200-204
• 致謝204

  本文關(guān)鍵詞：離子液體體系熱力學(xué)模型及碳捕集過(guò)程模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號(hào)：289871