用于低含量芳烃和烷烃混合物萃取分离的离子液体溶剂多尺度模拟筛选方法研究

The solvent oils produced in China contain higher aromatics and the more clean products with low aromatics content are strongly demanded. In this proposal, the model mixtures of solvent oil, with representive aromatic hydrocarbons of benzene and toluene and representive normal and isomer C6 and C8 aliphatic hydrocarbons, are intensively studied for extraction of low concentration aromatic from the mixture of aromatic/paraffin. The main idea is to develop a multi-scale simulation approach for solvent screen. For this purpose, the quantum chemical calculation is first applied to investigate the interaction of ionic liquid with the mixture compound and structure of the anion and cation is thus designed. For the designed ionic liquid, the thermodynamics of liquid-liquid equilibrium (LLE) of ionic liquid with mixture compounds and their general physical properties like polarity and acidity are then predicted by COSMO-RS (Conductor-like Screening Model for Real Solvents). In order to evaluate the accuracy of the LLE calculation, experiments will be carried out to validate, and the binary interaction coefficients of the liquid activity equation NRTL will be fitted. With the activity coefficients, the extraction process of solvent oil with ionic liquid as solvent is simulated by Aspen Plus, and the parameters will be optimized by investigate the effect of the important parameters. Finally, the extraction experiment under the guide of the process simulation will be completed. The project will contribute a comprehensive approach for solvent screening for extraction of mixtures of low concentration aromatics and alkanes, and develop novel technology for high purity solvent oil.

针对我国烷烃-芳烃混合物分离产品溶剂油中普遍存在芳烃含量偏高、环保型品种少等问题，本项目以溶剂油中代表性芳烃（苯和甲苯）与代表性烷烃（正己烷、正庚烷、环己烷、环庚烷）构成的四种模型混合物为研究对象，通过结合微观的分子模拟和量化计算以及宏观的流程模拟，发展基于多尺度模拟的离子液体筛选方法，解决低浓度芳烃-烷烃混合物萃取分离溶剂筛选的共性关键技术。通过基于密度泛函理论和COSMO-RS理论的量化计算，阐明离子液体选择性萃取分离芳烃和烷烃组分的作用机理，确定次要烷烃组分对分离作用的影响，获得液液相平衡相图和变化规律，拟合活度系数方程参数；结合Aspen流程模拟和实验，优化离子液体为溶剂萃取分离芳烃-烷烃混合物的基本工艺条件，并形成针对不同组成溶剂油脱芳烃具有指导性的离子液体溶剂筛选原则，为开发基于离子液体的低芳烃或无芳烃环保型溶剂油共性关键技术奠定基础，并为其他芳烃与烷烃萃取分离过程提供参考。

低含量芳烃与烷烃混合物是石化过程中典型的难分离体系，结合萃取单元的操作条件温和高效率等优势，采用新型溶剂离子液体进行过程强化提供了分离新技术。. 针对以低含量芳烃与烷烃混合物的难分离体系的萃取分离强化过程，通过结合微观的分子模拟和量化计算以及宏观的流程模拟，创立并发展了基于多尺度模拟和优化的难分离体系离子液体溶剂设计方法。该方法主要基于离子液体溶剂官能团与分离效果的构效关系，跨越离子液体官能团、分子、分离体系、分离过程等多尺度过程。通过基于密度泛函理论和COSMO-RS理论的量化计算，阐明离子液体选择性萃取分离芳烃和烷烃组分的作用机理。发展了基于COSMO理论和完全基于实验数据拟合UNIFAC-IL模型等两种离子液体溶剂热力学性质描述方法，获得液液相平衡相图和变化规律，并通过实验验证和拟合NRTL活度系数方程参数。提出了基于质量指标的优化目标函数，发展了基于全局优化算法和分解优化算法的设计方法；通过优化获得最佳离子液体结构和以离子液体作溶剂萃取分离芳烃-烷烃模型混合物的基本工艺条件。. 所开发的设计方法用于沸点接近混合物分离（芳烃和烷烃混合物）、深度脱除杂质（汽油深度脱硫）、以及天然化合物选择性反应萃取分离等过程工艺研究都取得了突破性的进展；形成了针对脱除芳烃萃取分离具有指导性的离子液体溶剂设计方法和指导原则，为开发基于离子液体的低芳烃或无芳烃环油品共性关键技术奠定基础，并为其他工业上的芳烃与烷烃萃取分离过程提供参考，并有望成为具有普适性的分离过程离子液体设计方法。 . 依托该项目，发表SCI论文15篇，其中AIChE J论文2篇，Chem Eng Sci论文4篇。授权发明专利1件，公开发明专利2件，申请发明专利1件。培养了7名毕业研究生，并11人次在国际学术会议上报告研究成果。