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离子液体萃取分离丙酮-环己烷机理及工艺模拟

王赛赛 ,  李文秀 ,  王月 ,  张弢

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (1) : 222 -227.

PDF (2630KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (1) : 222-227. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.036
工业技术

离子液体萃取分离丙酮-环己烷机理及工艺模拟

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Mechanism and process simulation of acetone-cyclohexane separation using ionic liquid extraction

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摘要

为实现丙酮-环己烷体系的有效分离,以1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMIM][DCA])为萃取剂,在303.15 K和1.013 25 MPa下测量了三元体系的液-液相平衡(LLE)数据,计算得出分配系数(β)与选择性(S)分别为11.04和607.99,表明[EMIM][DCA]能够有效分离丙酮和环己烷。使用Othmer-Tobias方程验证热力学一致性,R2>0.99。基于非随机双液(NRTL)模型对LLE数据进行关联,均方根误差(RMSD)<2%。通过相互作用能、静电势(ESP)以及基于独立梯度模型(IGMH),揭示了[EMIM][DCA]与共沸物间相互作用的大小、位点与作用类型。通过Aspen Plus软件进行萃取模拟及优化。

Abstract

In order to realize the effective separation of acetone-cyclohexane system,the liquid-liquid equilibrium (LLE) data of the ternary system were measured in this study using 1-ethyl-3-methylimidazolidine dicyandiamide ([EMIM][DCA]) as the extractant,and the distribution coefficient (β) and selectivity (S) were calculated to be 11.04 and 607.99,respectively,which indicated that [EMIM][DCA] can effectively separate acetone and cyclohexane.Thermodynamic agreement was verified using the Othmer-Tobias equation with R2>0.99.The LLE data were correlated based on a non-randomized two-liquid (NRTL) model with root mean square error (RMSD)<2%.The magnitude,site and type of interaction between [EMIM][DCA] and azeotrope were revealed by interaction energy,electrostatic potential (ESP) and independent gradient model based on Hirshfeld partition (IGMH).Extraction simulation and optimization were performed by Aspen Plus software.

Graphical abstract

关键词

离子液体 / 萃取过程模拟 / 量子化学计算 / NRTL / 液-液相平衡

Key words

ionic liquids / simulation of extraction processes / quantum chemical calculations / NRTL / liquid-liquid phase equilibrium

Author summay

王赛赛(2000-),女,硕士生

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王赛赛,李文秀,王月,张弢. 离子液体萃取分离丙酮-环己烷机理及工艺模拟[J]. 现代化工, 2026, 46(1): 222-227 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.036

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丙酮和环己烷是化工生产中重要的有机溶剂,广泛应用于制药、涂料、聚合物合成等领域[1-3]。丙酮和环己烷的二元混合物可用作胭脂红萃取、磷酸二甲酯水解剂、超临界溶解剂、合成原料等[3-6],化工生产过程中两者会混合排放至废水中,分离两者使之溶剂循环利用既是降本关键,更是清洁生产转型的核心。但二者在常压下会形成共沸物,这使得通过常规蒸馏方法实现高效分离变得极为困难,因此需要采用其他分离技术来实现共沸物的分离[7-12]。液-液萃取法作为绿色高效分离技术已广泛应用于共沸物分离体系,其中萃取剂的选择对萃取分离效果尤为关键。近年来,基于离子液体(ionic liquid,ILs)的极低挥发性、高热稳定性和结构可调性等特性[13-14],其在共沸物分离领域已成为研究热点。此外,作为传统溶剂的替代品,离子液体可通过氢键作用、静电相互作用等打破共沸点,显著提升分离效率,同时其非挥发性可规避溶剂夹带引发的二次污染,契合绿色化工发展需求。例如,Zhu等[15]利用不同的离子液体研究了环己烷-丙酮共沸物混合物的液-液萃取,表明离子液体是环己烷-丙酮分离的合适萃取剂,其萃取能力为[BMIM][NTF2]>[BMIM][OTF]>[BMIM][N(CN)2]。但目前关于离子液体萃取分离环己烷-丙酮的研究较少,且研究主要集中在溶剂筛选、机理探讨和相平衡实验等方面,此外,由于离子液体种类繁多,以其他类型离子液体作为萃取剂的相关研究仍存在探索空间。
本研究通过COSMO-RS模型筛选[EMIM][DCA]作萃取剂,在303.15 K和1.013 25 MPa条件下系统研究了丙酮-环己烷-[EMIM][DCA]的液-液相平衡(LLE),计算离子液体对丙酮的分配系数(β)和选择性(S)。通过非随机双液(NRTL)方程回归得到二元相互作用参数,为后续工艺流程模拟奠定基础。利用量子化学方法进一步探讨了萃取机理,即:对[EMIM][DCA]-丙酮和[EMIM][DCA]-环己烷体系开展相互作用能的计算,以获取相互作用能数值,通过静电势(ESP)分析与基于独立梯度模型(IGMH)分析判断分子间相互作用的位点与作用类型。本文中系统地考察了[EMIM][DCA]作为萃取剂对环己烷-丙酮共沸体系的分离效果,结合实验与机理分析揭示其作用机制,通过工艺流程模拟优化研究其工业化的可行性,为开发高效、低能耗的分离工艺提供理论依据和技术支持。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

环己烷和丙酮选用国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯试剂,纯度均达99.5%;离子液体[EMIM][DCA]由兰州雨陆精细化学有限公司提供,纯度为98%。考虑到离子液体中潜在的挥发性杂质会干扰实验结果,需对其进行预处理。将[EMIM][DCA]置于温度100℃、压力-0.1 MPa的真空干燥箱内净化48 h,以此彻底消除挥发性杂质的影响。
采用安捷伦公司的7820A气相色谱仪,配备FID检测器,设定柱箱温度343.15 K、前检测器温度433.15 K、后进样口温度393.15 K,以流量为 30 cm3/min的氮气作为载气;上海思达分析仪器有限公司的HS-9顶空进样器;奥豪斯仪器(常州)有限公司的PR224ZH电子天平;以及上海博讯实业有限公司的DZF-6020MBE真空干燥箱。

1.2 实验方法

丙酮(1)+环己烷(2)+[EMIM][DCA](3)三元体系的LLE数据在303.15 K和1.013 25 MPa条件下测量。LLE实验在50 mL圆柱形的平衡容器中进行,使用电子天平称量不同质量比的丙酮和环己烷混合物放入平衡容器,按特定比例向其中加入[EMIM][DCA]。将混合物以大约1 000 r/min的转速剧烈搅拌3 h,并在30℃和200 r/min的恒温振荡器中震荡搅拌4 h,以确保充分混合。随后,将混合物静置约18 h,直到完全实现相平衡。在分离成富环己烷相(萃余相)和富[EMIM][DCA]相(萃取相)后,分别从萃余相和萃取相中采集样品。使用气相色谱法(GC)[16]分析环己烷和丙酮的成分,每个样品至少分析3次。由于[EMIM][DCA]难以挥发,因此采用差重法[17]确定其成分。在100℃和 -0.1 MPa的真空干燥箱中蒸发48 h,并精确测量蒸发前后样品的重量。

2 结果与讨论

2.1 ILs的筛选

借助COSMOthermX 19.0软件平台,针对丙酮和环己烷体系开展了离子液体的溶解度与选择性计算分析。基于17种阳离子与17种阴离子的不同组合,构建并评估了289种离子液体,通过软件模拟获得的热力学数据,直观展现了各离子液体对目标体系选择性的差异。具体结果见图1,每一个格子代表一种离子液体,红色越深代表选择性越大。由图1中可以看出,阴离子[DCA]-、磷酸二氢([DHP]-)、三氟甲基磺酸([OTf]-)与硝酸([NO3]-)的效果较其他离子液体选择性较高,阳离子[EMIM]+的效果最优。
同时,考虑溶解度的影响,列出4种选择性高的离子液体的溶解度,如表1中所示,C1为环己烷溶解度,C2为丙酮溶解度,[EMIM][DHP]的选择性高于其他离子液体,但是其与丙酮的溶解度较低,而[EMIM][DCA]与丙酮的溶解度较高,并且与环己烷的溶解度较低,综合考虑,选择[EMIM][DCA]离子液体作为萃取剂。

2.2 LLE实验结果

丙酮(1)+环己烷(2)+[EMIM][DCA](3)体系的LLE结果是在303.15 K和1.013 25 MPa条件下测定的。β和S是液-液萃取中的2个重要参数,也是检验液相萃取剂分离共沸物能力的主要依据。β越大,所需的萃取剂[EMIM][DCA]量越小;S越大,溶质越容易被萃取。β和S的计算公式[18]如下:
$\beta ={\chi }_{1}^{Ⅱ}/{\chi }_{1}^{Ⅰ}$
$S=({\chi }_{1}^{Ⅱ}/{\chi }_{2}^{Ⅱ})/({\chi }_{1}^{Ⅰ}/{\chi }_{2}^{Ⅰ})$
式中,Ⅰ和Ⅱ为萃余相和萃取相;χ为摩尔分数;下标1和2为丙酮和环己烷。
为了比较萃取剂的萃取效果,计算了体系的S和β,结果如表2所示,S值和β值均大于1。根据表2中的实验结果,以散点图的形式绘制了β和S,如图2和图3所示,β和S值都随着丙酮摩尔分数的增加而降低,当丙酮含量较高时,β值和S值也均大于1,表明[EMIM][DCA]可以从丙酮-环己烷共沸物中有效分离出丙酮。根据LLE数据绘制三元相图,如图4所示,萃余相和萃取相的连接线为共轭线。丙酮(1)+环己烷(2)+[EMIM][DCA](3)的共轭区域较大,表明丙酮可以在较大的浓度范围内实现在两相之间的转移,有利于通过调节相比例等操作条件来实现高效分离,且连接线斜率较大,说明[EMIM][DCA]萃取效果好。

2.3 LLE数据的可靠性

液-液相平衡数据校准是确保实验结果可靠性的必要环节,实验数据的可靠性使用Othmer-Tobias方程[19]进行线性拟合来判断。图5显示了Othmer-Tobias图和拟合线,截距a和斜率b为拟合参数,分别为1.713 3和-0.775 2,回归系数(R2=0.994 3)接近1,表明实验值是可靠的。

2.4 实验数据相关性

为了确保模拟过程和计算过程的准确性,需要使用模型来关联实验数据并预测实验外的液相平衡数据,以便更好地优化过程,非随机两液(NRTL)模型是部分或完全夹层体系相平衡计算中广泛使用的活性系数模型[20],并且NRTL模型对实验数据的拟合精度优异。因此,本文中选择NRTL模型来关联实验数据,使用Aspen Plus软件的NRTL模型对实验数据进行拟合,在目标函数(OF)的约束下,使用最小二乘回归法获得二元相互作用参数。根据计算数据和回归数据得出均方根偏差(RMSD),以判断实验数据和计算数据之间的相关性。计算公式[21]如下:
$OF=\stackrel{M}{\sum _{m=1}}\stackrel{2}{\sum _{n=1}}\stackrel{3}{\sum _{p=1}}({X}_{pnm}^{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}-{X}_{pnm}^{\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}}{)}^{2}$
$\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{D}=[\stackrel{M}{\sum _{m=1}}\stackrel{2}{\sum _{n=1}}\stackrel{3}{\sum _{m=1}}({X}_{pnm}^{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}-{X}_{pnm}^{\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}}{)}^{2}{/6M]}^{1/2}$
式中,M为连接线数;p为成分;n为相位;m为连接线;exp为实验值;cal为理论计算值。
表3列出了通过回归计算得出的所有RMSD和二元参数,结果可以看出,RMSD<2%,说明NRTL模型拟合该体系良好,得到的二元相互作用参数可以很好地应用于工业设计和化学优化。

3 机理分析

3.1 相互作用能计算

使用Gaussian 09W计算了[EMIM][DCA]与丙酮/环己烷之间的分子相互作用能。采用M0-62X/6-31G+(d,p)基组优化各分子及其体系的结构和能量,并确保无虚频。A和B之间的相互作用能(ΔEAB)按下式计算:
$\mathrm{\Delta }{E}_{\mathrm{A}\mathrm{B}}={E}_{\mathrm{A}\mathrm{B}}-({E}_{\mathrm{A}}+{E}_{\mathrm{B}})+{E}_{\mathrm{B}\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{E}}$
式中,ΔEAB为AB复合物的能量;EA和EB分别为A的单体能量和B的单体能量;EBSSE为校正能。
丙酮-环己烷体系与[EMIM][DCA]之间的相互作用能见表4。ΔE为负值,表明两者之间的作用力为吸引力,绝对值越大则作用力越强。[EMIM][DCA]与丙酮的相互作用能大于[EMIM][DCA]与环己烷的相互作用能。其中,[EMIM][DCA]+丙酮的ΔE为-60.466 1 kJ/mol,而[EMIM][DCA]+环己烷的ΔE为-23.219 8 kJ/mol,这表明[EMIM][DCA]与丙酮间具有更强的相互作用,从而可以很容易地从共沸物中萃取丙酮。

3.2 ESP分析

Lu等[22-23]开发出的一个灵活高效的实现电子波函数分析的程序,通过计算静电势并结合可视化分子动力学方法(VMD)[24]来寻找形成氢键的最佳位置。使用这2种软件来可视化化合物的ESP,以判断相互作用位置、探索分子间静电相互作用。
如图6所示,ESP区域分为负静电势区和正静电势区,环己烷的正负静电势值均处于较低水平,丙酮羰基上的氧的最小ESP值为-167.74 kJ/mol,很容易被正电基团静电吸引,[EMIM][DCA]上阳离子的氢ESP最高,其值为173.76 kJ/mol。由于丙酮中的O具有一对孤对电子,具有强电负性,而[EMIM][DCA]阳离子上的H具有强电正性,因此丙酮与[EMIM][DCA]容易产生静电吸引。

3.3 IGMH分析

IGMH适合揭示各种化学体系中的弱相互作用的位置、强度和类型,基本思想是使用三维函数δ g来直观地表示原子间相互作用区域[25]。图7给出了不同数值范围内sign(λ2)ρ的常见解释,sign(λ2)ρ<0的蓝色区域为吸引力相互作用(氢键、卤素键等)。sign(λ2)ρ的值越小,相应的蓝色越深,表示吸引力相互作用越强。sign(λ2)ρ的红色区域存在排斥作用(环和笼中的位阻效应等),数值越大,相应颜色越红,排斥作用越强。绿色区域表示范德华力。如图8所示,[EMIM][DCA]在sign(λ2)ρ为0.02 a.u.处有蓝绿色峰,峰值为0.039 a.u.,对应的位置为丙酮羰基上的O原子和[EMIM]+阳离子咪唑环上的H原子之间,相互作用类型是范德华力和弱氢键。

4 丙酮+环己烷+[EMIM][DCA]的萃取过程模拟

基于Aspen Plus在“分子模拟-过程优化-工程放大”跨尺度研究中的桥梁作用,本研究通过Aspen Plus模拟模块对[EMIM][DCA]萃取分离环己烷-丙酮共沸体系进行全流程优化。依托NRTL模型(已通过三元体系实验数据拟合获得二元交互作用参数及非随机因子),构建了液-液萃取工艺流程。

4.1 萃取流程设计

基于Aspen Plus构建了以[EMIM][DCA]为萃取剂的丙酮-环己烷分离工艺流程(图9)。系统由液-液萃取塔(B1)、两级闪蒸(V1/V2)、冷却单元(H1/2)及混合器组成。原料混合物(FEED)与离子液体分别从塔底、塔顶进料,经多级萃取后,塔顶萃余相进入V2闪蒸,塔底萃取相进入V1闪蒸。其中V1顶部回收丙酮溶液,底部[EMIM][DCA]经H1冷却后循环;V2顶部产出环己烷,底部残余离子液体经H2冷却后与再生离子液体在Mixer混合,最终返回萃取塔实现循环利用。
FEED的质量流量为2 000 kg/h,其中环己烷的质量分数为0.4,丙酮的质量分数为0.6(丙酮和环己烷的共沸物组成为67.5%和32.5%)。离子液体[EMIM][DCA]的进料量为1 000 kg/h。分离目标环己烷产品的纯度达到99%。萃取塔初始工艺参数如表5所示。将表5中这些工艺参数输入至工艺流程中,进行模拟,V2顶部的环己烷产品纯度达到98.2%,环己烷产品的纯度较高,说明[EMIM][DCA]分离效果良好,但环己烷产品的纯度未达到分离要求,需进一步对工艺参数进行优化。

4.2 萃取流程参数优化

采用Aspen Plus软件中的灵敏度分析模块来确定萃取塔的最佳工艺参数,分析萃取塔萃取级数和溶剂比(S/F)对环己烷产品纯度的影响规律,以环己烷产品纯度≥99%为分离目标,系统考察了萃取级数(4~7级)和溶剂比(0.2~0.5)对分离效率的影响规律。
结果如图10所示,当萃取塔的萃取级数不同时,分析环己烷产品的纯度随萃取剂与S/F的变化关系。固定萃取级数,增大溶剂比,当溶剂比增大到一定值时,环己烷产品的纯度达到分离要求:环己烷产品质量分数大于99%。萃取塔萃取级数与S/F分析结果:萃取级数为4、5、6、7时,对应S/F分别达0.40、0.33、0.26、0.20可达成目标,结果表明,随着S/F的增加或萃取级数的增加,环己烷产品纯度显著提高。

5 结论

(1)通过COSMO-RS筛选,以选择性与溶解度作为指标,选择[EMIM][DCA]为萃取剂,测定了丙酮-环己烷[EMIM][DCA]在303.15 K和1.013 25 MPa条件下的LLE数据。[EMIM][DCA]的S与β分别为607.99和11.04,能够实现共沸物的有效分离。
(2)利用NRTL模型对实验结果进行分析,实验结果的RMSD小于2%,说明了NRTL模型的适用性,得到了体系的二元相互作用参数为工艺设计和优化提供了参考。
(3)量子化学计算解释了[EMIM][DCA]的萃取机理,通过相互作用能计算、ESP分析和IGMH分析从分子角度探讨相互作用的大小、位点与类型。结果表明,[EMIM][DCA]可用于从环己烷中萃取丙酮,[EMIM][DCA]与丙酮之间的吸引力主要由范德华力与弱氢键主导。
(4)通过采用Aspen Plus模拟工艺流程并进行优化,模拟结果表明,当萃取级数为7时且S/F仅为0.2时,环己烷纯度可达99%以上。该研究为离子液体在酮-烷烃共沸体系工业化分离中的应用提供了关键工艺参数与理论支撑。

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