高效離心萃取機(jī)液液萃取相平衡的研究

高效離心萃取機(jī)液液萃取相平衡的研究

????液液相平衡描述的是萃取達(dá)到平衡時(shí)被萃取物質(zhì)在兩相中的分配關(guān)系。它決定萃取過程的方向，推動(dòng)力的大小和傳遞過程的極限，是煤氣化廢水萃取脫酚工藝流程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在選定MTBE作為萃取劑，確定了體系pH值和萃取溫度這兩個(gè)工藝參數(shù)后，需要確定滿足萃取脫酚要求所需的萃取相比和萃取級(jí)數(shù)。煤氣化廢水的萃取方式主要有錯(cuò)流萃取和逆流兩種操作方式。錯(cuò)流萃取常用于實(shí)驗(yàn)研究。然而實(shí)際工業(yè)中往往采用多級(jí)逆流萃取的方式處理含酚廢水。由于實(shí)驗(yàn)室無法展開對(duì)逆流萃取進(jìn)行研究，要得到逆流萃取的萃取相比和萃取級(jí)數(shù)，往往通過模擬計(jì)算得到。萃取相比和級(jí)數(shù)，是由煤氣化廢水中的酚類物質(zhì)和萃取劑的相平衡關(guān)系確定的。因此，在進(jìn)行煤氣化廢水萃取模擬計(jì)算之前，需要對(duì)煤氣化廢水和萃取劑的相平衡關(guān)系進(jìn)行研究。（高效離心萃取機(jī)液液萃取相平衡的研究?）

本文將測(cè)定酚類物質(zhì)在水相和萃取相達(dá)到平衡后的液液相平衡數(shù)據(jù)。其中，為簡(jiǎn)化液液相平衡體系，本工作將以苯酚代表揮發(fā)酚，對(duì)苯二酚代表多元酚。因此，本工作研究的液液相平衡體系實(shí)際上是MTBE一水一苯酚/對(duì)苯二酚體系。在接下來的工作中，本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了MTBE一水一苯酚和MTBE一水一對(duì)苯二酚這兩個(gè)三元物系和MTBE一水一苯酚-對(duì)苯二酚四元物系在低酚濃度范圍內(nèi)的液液相平衡數(shù)據(jù)，并用選定的活度系數(shù)模型NRTL和UNIQUAC進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到該模型的二元交互參數(shù)，以便于下一步的萃取脫酚工藝流程模擬計(jì)算。（高效離心萃取機(jī)液液萃取相平衡的研究?）

1液液相平衡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的原理

????由流體相平衡可知，兩個(gè)部分互溶的液相在達(dá)到相平衡后，滿足如下關(guān)系式:

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式中，i表示組分，上標(biāo)I和II表示兩個(gè)不同的液相，對(duì)和彩是兩液相平衡共存時(shí)的組成，Y1i和Y2i分別是兩液相中對(duì)應(yīng)的活度系數(shù)。

當(dāng)有液液兩相組成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，即X1i和X2i為已知，此時(shí)可用式(3-1)一(3-3)計(jì)算出Y1i和Y2i，再由選用的活度系數(shù)模型擬合出模型參數(shù)。這就是從相平衡數(shù)據(jù)求取活度系數(shù)模型參數(shù)的途徑。能用于液液平衡計(jì)算的活度系數(shù)模型主要有馬居爾方程、范拉爾方程、Flory-Huggins方程(常用于聚合物體系)、NRTL方程和UNIQUAC方程。其中，馬居爾方程、范拉爾方程只能用于二元系統(tǒng)的液液相平衡計(jì)算，其特點(diǎn)是可用解析法求解兩相平衡組成，計(jì)算比較簡(jiǎn)單。而用NRTL和UNIQUAC等局部組成型方程時(shí)，既能用于二元系統(tǒng)，也能用于多元系統(tǒng)，并且可以很方便地從二元直接推向多元系統(tǒng)。因?yàn)楸竟ぷ魃婕叭退脑到y(tǒng)數(shù)據(jù)的回歸，所以選定NRTL和UNIQUAC方程作為回歸的活度數(shù)據(jù)模型。

2相平衡數(shù)據(jù)的回歸與預(yù)測(cè)

????測(cè)得液液相平衡數(shù)據(jù)之后，重要的一步就是數(shù)據(jù)的處理。本工作采用流程模擬軟件Aspen Plus中的Data Regression模塊對(duì)測(cè)得的液液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，通過最小化下列目標(biāo)函數(shù)(OF)，得到NRTL和UNIQUAC模型的二元交互參數(shù)。

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式中m代表組分，n是結(jié)線的數(shù)量，Wexp和T exp分別是實(shí)驗(yàn)質(zhì)量濃度和實(shí)驗(yàn)溫度，而Wcal和T cal分別是計(jì)算得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度。下標(biāo)i, j和k分別代表組分，相和結(jié)線。σT和σW分別是溫度和質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

????回歸時(shí)，NRTL中的可調(diào)特性參數(shù)(aij)固定在0.2或0.3，而UNIQUAC模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)(r和q)護(hù)由文獻(xiàn)得到，結(jié)果見表3-1.

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????根據(jù)回歸得到的二元交互參數(shù)，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的活度系數(shù)模型，可對(duì)物系的液液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型預(yù)測(cè)的精確性用計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均方根偏差來判斷，其定義如下:

????綜上，本工作在40℃常壓下測(cè)定了四元物系MTBE+苯酚+對(duì)苯二酚+水液液相平衡數(shù)據(jù)。并在直角坐標(biāo)系中畫出了苯酚和對(duì)苯二酚在水相和有機(jī)相中的分配情況。結(jié)果表明，對(duì)苯二酚在(苯酚+對(duì)苯二酚)混合物中含量的變化對(duì)苯酚和對(duì)苯二酚在兩相中的分配有一定的影響。隨后用Hand和Bachman方程對(duì)四元物系數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

????以從三元子物系取值十個(gè)交互參數(shù)值而回歸剩下苯酚一對(duì)苯二酚對(duì)的交互參數(shù)的方式，四元物系的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行很好的關(guān)聯(lián)。而當(dāng)兩個(gè)模型的十二個(gè)交互參數(shù)全部來自四元物系相平衡數(shù)據(jù)的回歸時(shí)，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值之間的均方根偏差值更小，說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算值能夠更好的吻合。（高效離心萃取機(jī)液液萃取相平衡的研究?）

????為了給煤氣化廢水萃取脫酚流程模擬和計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本章展開了以MTBE為萃取劑萃取煤氣化含酚廢水體系的液液相平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定。由于廢水水質(zhì)復(fù)雜，不僅含有單元酚，又含有多元酚，且種類繁多，在實(shí)際測(cè)定時(shí)，以苯酚代表單元酚，對(duì)苯二酚代表多元酚，以此建立MTBE萃取煤氣化廢水酚類物質(zhì)的簡(jiǎn)化液液相平衡體系。本章分別測(cè)定了MTBE+苯酚+水和MTBE+對(duì)苯二酚+水這兩個(gè)三元物系的液液相平衡數(shù)據(jù)。并用Hand和Bachman方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)線數(shù)據(jù)進(jìn)行了可靠性分析。隨后采用NRTL和UNIQUAC活度系數(shù)模型對(duì)相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，NRTL和UNIQUAC模型都能很好對(duì)液液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。由兩個(gè)模型得到的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的均方根偏差分別在0.18%和1.1%以內(nèi)。（高效離心萃取機(jī)液液萃取相平衡的研究?）

????在測(cè)完MTBE+苯酚+水和MTBE+對(duì)苯二酚+水這兩個(gè)子三元物系的相平衡數(shù)據(jù)后，本章在此基礎(chǔ)上測(cè)定了MTBE+苯酚+對(duì)苯二酚+水四元物系在常壓40 0C下的液液相平衡數(shù)據(jù)。在苯酚和對(duì)苯二酚的分配曲線中，發(fā)現(xiàn)對(duì)苯二酚在(苯酚+對(duì)苯二酚)混合物中含量的變化對(duì)苯酚和對(duì)苯二酚在兩相中的分配有一定的影響。利用子三元物系的二元交互參數(shù)來回歸得到剩余苯酚一對(duì)苯二酚對(duì)的交互參數(shù)的方式，四元物系的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行很好的關(guān)聯(lián)，NRTL和UNIQUAC模型的RMSD值分別在0.22%和0.26%左右。而當(dāng)四元物系的十二個(gè)交互參數(shù)全部來自四元物系相平衡數(shù)據(jù)的回歸時(shí)，RMSD值均有所下降，說明以該種方式關(guān)聯(lián)四元物系的相平衡數(shù)據(jù)時(shí)，模型預(yù)測(cè)的精確度提高。（高效離心萃取機(jī)液液萃取相平衡的研究?）

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