低转变温度混合物（LTTMs）应用于萃取精馏过程的基础研究

Extractive distillation is an important separation technology in chemical industry, for which the selection of extraction agents is especially crucial. At present, the commonly used organic extraction agents own obvious shortcomings such as environmental pollution and high energy recovery. In view of this point, the Low Transition Temperature Mixtures (LTTMs) are proposed as the new extraction agents in extractive distillation process. LTTMs are environmentally friendly extraction agents which also possess advantages of simple preparation, low price, and tailor-made characters. In this project, LTTMs screening is conducted using Conductor-like Screening Model for Real Solvents (COSMO-RS) model for three typical different polarities separation systems, and the relationship between microstructure and extraction performance is built through density function theory (DFT). Then the screening results are validated by performing phase equilibrium experiments of LTTMs and separation system. The extractive distillation process with LTTMs as extraction agents is simulated and optimized to evaluate the economic benefits and environment impacts. Finally, the experiments on extractive distillation process are conducted to confirm the simulation results. The implementation of this project can provide the theoretical basis for the industrial application of extractive distillation process with LTTMs as extraction agents.

萃取精馏是化学工业中重要的分离技术，其中适宜萃取剂的选取尤为关键。目前工业上常用的有机萃取剂存在污染环境、回收能耗高等缺点。鉴于此，提出了以低转变温度混合物（Low Transition Temperature Mixtures，LTTMs）作萃取剂进行萃取精馏的新构思。LTTMs不仅是环境友好的萃取剂，而且具有制备简单、价格低廉、功能可设计等优点。本课题针对三种不同极性的典型混合物系，采用真实溶剂似导体屏蔽模型（COSMO-RS）对LTTMs萃取剂进行筛选，并使用密度泛函理论（DFT）研究LTTMs的微观结构与萃取性能的关系；然后，通过LTTMs与被分离物系的相平衡实验验证COSMO-RS模型的筛选结果，并进行LTTMs萃取精馏的过程模拟与优化，以评估LTTMs作萃取剂的经济性与环境效益；最后，通过萃取精馏实验验证模拟的可靠性。项目的成功可为LTTMs萃取精馏过程的工业应用提供理论指导。

萃取精馏是化学工业中重要的分离技术，其中适宜溶剂的选取尤为关键。传统有机溶剂易挥发、污染环境、回收能耗高。离子液体虽能够克服传统有机溶剂的缺点，但其存在生物降解性差、价格昂贵、合成复杂等问题，限制了其工业运用。鉴于此，提出低转变温度混合物(Low Transition Temperature Mixture, LTTMs)作为溶剂用于萃取精馏过程的新构思。.本项目主要从溶剂筛选、机理分析、相平衡实验、过程模拟与控制等方面研究了LTTMs作为溶剂分离近/共沸物的可行性。对异丙醇-水共沸体系，采用预测热力学模型COSMO-SAC对252种LTTMs进行筛选，最终选出以草酸为氢键供体、氯化胆碱为氢键受体合成的LTTMs用于该混合物的分离；基于量子化学理论从作用能、作用位点、键的属性等方面对其分离机理进行研究，计算结果表明氢键供体/受体与异丙醇/水之间的作用主要是氢键作用与范德华作用；根据筛选结果，进行LTTMs-异丙醇-水体系的汽液相平衡实验，通过实验数据关联出组分间的二元交互作用参数；通过Aspen Plus对异丙醇-水的萃取精馏过程进行模拟与优化研究，以年总费用、全局能量消耗、萃取效率为优化目标，采用多目标遗传算法对萃取精馏过程的工艺参数进行优化，得到了约束条件下的Pareto解集，计算相应设计点下的二氧化碳排放量以考察其环境效益，模拟结果表明对于不同的目标函数都存在最佳设计点，可满足不同工况下的设计需要；为考察LTTMs萃取精馏过程的可控性，对TAC最低的流程进行了进料扰动分析并建立了多种控制结构，研究表明，浓度-温度控制结构可有效地抵抗进料流量与组成的扰动；采用萃取精馏实验研究了各操作参数对产品纯度的影响，结果表明随溶剂比和回流比增大，产品纯度先增大后趋于稳定，且实验前后LTTMs性质不变，可循环使用。随后将研究成果拓展到萃取过程及气体吸收过程，研究结果表明LTTMs作为溶剂也可用于其他分离过程。.项目的成功为LTTMs用于化工分离过程及工业化应用提供了理论指导，加快绿色溶剂的开发和工业化应用，为化工行业的绿色发展做出积极贡献。