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离子液体体系热力学模型及碳捕集过程模拟研究; Study on the thermodynamic models of ionic liquid systems and process simulation of carbon capture
黄莺
学位类型博士
导师张香平
2015-05
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业化学工艺
关键词离子液体 离子片方法 物性预测 相平衡 流程模拟与评价
摘要离子液体具有极低的蒸汽压、良好的热稳定性和可设计性等优点,已成为能源、催化、分离等多个领域的研究热点。然而由于离子液体种类繁多,基础物性数据及热力学模型的缺乏,极大阻碍了离子液体新工艺的设计、开发和工业应用。通过实验测定可以获得准确可靠的物性数据,但对于数目庞大的离子液体体系而言,完全依赖实验显然不切实际,因此开发合适的物性和热力学预测模型具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在基团贡献法和对应态原理等热力学理论的基础上,提出了适用于离子液体体系的物性及相平衡预测新模型,进一步建立了离子液体新工艺的模拟与评价方法,并以离子液体法捕集分离CO2工艺为例,优化了工艺参数并开展了技术-经济评价分析研究,为低能耗、低成本的碳捕集技术的开发提供了理论依据。本论文的主要研究内容及成果如下: (1)离子液体及其混合物体系的物性预测。针对离子液体阴阳离子结构和带电特性,提出基于“离子片”的划分策略,得到46种离子片和基团,结合对应态原理,通过拟合490种离子液体的密度数据得到了一套适用于离子液体的离子片/基团贡献参数,建立了用于预测离子液体体系性质的离子片贡献-对应态(FC-CS)新方法。利用FC-CS方法计算得到了538种离子液体的沸点、临界温度、临界压力、临界体积和偏心因子,从而为对应态原理在离子液体中的应用奠定了基础。本文进一步扩展了FC-CS方法的应用范围,结合对应态方程预测了离子液体纯组分及混合离子液体的密度和表面张力,对6150个数据点的平均预测偏差小于4%,预测效果良好;提出了预测热容和热导率的对应态方程,平均预测偏差小于4%。以上研究结果证明了离子片划分策略的合理性,以及FC-CS方法对于离子液体纯组分及混合离子液体物性预测的适用性。 (2)离子液体与分子溶剂混合物体系的物性预测。基于FC-CS方法,结合混合规则及对应态原理,发展了不含可调参数的密度方程,对63个二元及三元离子液体-分子溶剂体系密度(1985个数据点)的平均预测偏差为0.92%。针对离子液体-分子溶剂体系的表面张力、热容及热导率分别提出仅含一个特征参数的半经验方程,平均预测偏差均小于2%。除了采用基于热力学理论的模型,本文也将人工神经网络用于离子液体-分子溶剂体系的性质预测,对密度、表面张力、热容和热导率的计算偏差均小于0.5%,进一步提高了离子液体与分子溶剂混合物性质的预测精度。 (3)离子液体-分子溶剂体系的汽液相平衡预测。在考虑离子液体部分电离特性的基础上,结合电解质溶液的PDH (Pitzer–Debye–Hückel) 模型和传统的UNIFAC模型,建立了基于离子片的UNIFAC模型,拟合得到了离子片与分子基团之间新的交互作用参数,预测了8个含离子液体的二元体系中分子溶剂的活度系数(265个数据点),平均偏差为2.2%。以上结果证明了离子片划分方式的合理性,以及基于离子片的UNIFAC模型对离子液体-分子溶剂体系汽液相平衡预测的适用性。 (4)离子液体法吸收CO2体系的相平衡研究。为了建立离子液体-乙醇胺(MEA)复配溶剂吸收CO2体系的相平衡计算模型,本文基于RK(Redlich-Kwong)方程和NRTL模型,通过关联三种离子液体([Bmim][BF4]、[Bmim][DCA]和[Bpy][BF4])吸收CO2的气液相平衡数据,得到了CO2在离子液体中溶解的亨利系数及NRTL二元交互作用参数,计算的平均偏差小于0.9%;建立了一套测定互溶体系汽-液平衡(沸点)的实验装置,测定了MEA、H2O与以上三种离子液体的汽液平衡数据,并通过NRTL模型关联数据,得到了离子液体与H2O及MEA的NRTL二元交互作用参数,体系压力的计算值与实验值平均偏差为0.8%。 (5)离子液体清洁工艺的过程模拟与评价。基于本文建立的热力学模型,进一步建立了离子液体体系的过程模拟与评价方法。以离子液体法分离CO2工艺为例,利用 Aspen Plus 为计算平台,对三种离子液体([Bmim][BF4]、[Bmim][DCA] 和 [Bpy][BF4])与MEA的复配溶剂吸收CO2工艺进行了过程模拟。结果表明,基于离子液体[Bpy][BF4]的复配溶剂在贫液负荷为0.2时,解吸能耗最小(3.17GJ/t CO2),较传统MEA工艺可降低15%。在此基础上,对使用[Bpy][BF4]复配溶剂的离子液体工艺进行了流程改进,增加了吸收塔段间冷却和解吸塔贫液蒸汽再压缩装置。改进后的离子液体工艺解吸能耗较传统MEA工艺降低31%,吨CO2捕集费用预计可降低13.5%。以上模拟与评价结果为离子液体法捕碳过程的工艺设计提供了理论依据。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20324
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
黄莺. 离子液体体系热力学模型及碳捕集过程模拟研究, Study on the thermodynamic models of ionic liquid systems and process simulation of carbon capture[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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