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CWL-M高效萃取设备萃取脱酚体系液液相平衡关系的研究

编辑:管理员    发布时间:2016/7/19 11:30:52

CWL-M高效萃取设备萃取脱酚体系液液相平衡关系的研究

1液液相平衡关系的重要性

    萃取过程的本质是一个多种组分构成的多相平衡(两相平衡)的过程。萃取脱酚过程,实质上是被萃取物质(酚类物质)从水相向有萃取溶剂相传递的过程。酚类物质从水相传递到溶剂相的极限,就是达到萃取平衡。当萃取达到平衡时,水相和萃取溶剂相中的被萃取物质(酚类物质)浓度之间存在一定的关系。

液液相平衡就是描述萃取达到平衡时,被萃取物质在两相中的分配关系。它决定萃取过程的方向,推动力的大小和传递过程的极限。同时,液液相平衡关系是进行萃取过程计算和分析过程影响因素的基本依据之一。在选定萃取剂之后,必须对酚类物质在水相和萃取相的液液相平衡关系进行研究,为萃取工艺流程设计和设备设计计算提供基础。(CWL-N高效萃取设备萃取脱酚体系液液相平衡关系的研究)

2液液相平衡关系的表达方法

    液液相平衡关系的表达主要有萃取分配系数、萃取平衡线和活度系数模型等方法。

    (1)萃取分配系数

    萃取分配系数是表达液液相平衡关系的最简单的方法,它是当两个液相达到平衡后,被萃取物质在萃取相和水相中的浓度之比,表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。分配系数越大,则萃取分离的效果越好。分配系数随萃取温度和被萃取物质的浓度而变。只有在一定被萃取物质的组成范围内温度变化不大或恒温条件下的分配系数才可近似视作常数。因此,分配系数只能用来粗略计算萃取效果,不能用来进行萃取工艺设计和计算。(CWL-N高效萃取设备萃取脱酚体系液液相平衡关系的研究)

      (2)萃取平衡线

    萃取平衡线是将被萃取物质的两相平衡关系用一般直角坐标系表示时所得到的萃取平衡分配曲线,也称萃取等温线。与萃取分配系数相比,它能直观地表示萃取平衡关系随被萃取物质的浓度的变化,对不互溶或基本上不互溶的两相萃取体系的平衡关系的表示较为方便,常用于萃取过程的化工计算中。

      (3)活度系数模型

    当分配的被萃取物质浓度较大或油一水两相的互溶度较大时,萃取过程的工艺设计就必须基于严格的液液相平衡计算。目前应用最普遍的方法就是活度系数模型,它是通过测定液液相平衡数据,结合热力学模型,计算出活度系数,再由选定的活度系数模型拟合出活度系数模型参数。(CWL-N高效萃取设备萃取脱酚体系液液相平衡关系的研究)

    根据热力学基本原理,在等温等压的条件下,当两相达到平衡后,体系的Gibbs自由能变化应为零,即

按照Gibbs-Duhem定律,可以得到:

 

其中,n,是体系中组分1的物质的量含量;μi是组分i的化学势。由以上两个方程式很容易导出:

 

    忽略分离物质和萃取剂之间的化学反应,且假定被萃取物质在两相中的形态相同,则可以得到

 

所以,存在以下关系

式中从μi0(W)和从μi0(o)分别表示被萃取溶质Z在料液相和萃取相中的化学位。化学位与溶质活度a,的关系为

式中μi0(W)和μi0(o)分别为被萃取溶质‘在料液相和萃取相中的标准化学位;R为气体常数T为热力学温度(K)由于被萃取溶质在两相中的形态一致,故有叫μi0(W)=μi0(o)由式(1-8)即和(1-9)可知被萃取溶质在两相中的活度相等

 

由活度定义可知ai - xiyi,其中xi为被萃取溶质i的摩尔分数;Yi为被萃取溶质的活度系数,则有

 

由于分配系数D,等于被萃取溶质1在两相中平衡浓度之比,因此

 

由此可见,在萃取过程中,萃取分配系数可以直接由被萃取溶质在两相中活度系数的计算而得到。用活度系数模型来描述液液相平衡关系,不仅能表达一种溶质在不同浓度下的相平衡关系,还能同时表达多溶质体系的相平衡分配关系。目前常用于液液相平衡计算的活度系数模型主要有NRTL模型和UNIQUAC模型。(CWL-N高效萃取设备萃取脱酚体系液液相平衡关系的研究)

    本论文以某煤气化厂高浓度含酚废水为研究对象,针对目前萃取脱酚工艺不足,处理后废水的酚浓度依然很高,经生化处理后无法达到外排标准的这一系列难题,对煤气化废水萃取脱酚工艺进行研究,开发出合适的煤气化废水的萃取脱酚工艺流程,以期将废水中的酚类物质浓度降低到生化处理的要求。本论文的主要研究内容主要包括以下几占.

    (1)废水水质分析和萃取剂选择

    本文首先对煤气化废水进行水质分析,以确定废水中总酚的浓度、挥发酚的浓度以及酸性气CO2和碱性气NH3的含量等。随后根据煤气化废水的特点,针对性的选择几种脱酚效果较好的溶剂作为萃取剂,通过综合比较它们的萃取脱酚的效果、溶剂回收能耗和溶剂的经济性等方面,确定一种溶剂作为煤气化废水的脱酚萃取剂。

    (2)煤气化废水萃取条件优化

    在确定了煤气化废水的脱酚萃取剂之后,本文将对影响萃取脱酚效果的因素如萃取温度、水相的pH值和萃取相比进行研究,以确定最佳的萃取脱酚条件。在确定最佳萃取脱酚条件的基础上,展开研究煤气化废水三级错流萃取脱酚的效果,为煤气化废水萃取脱酚工艺流程的设计提供参考。(CWL-N高效萃取设备萃取脱酚体系液液相平衡关系的研究)

    (3)煤气化废水液液相平衡的研究

    液液相平衡描述的是萃取达到平衡时被萃取物质在两相中的分配关系。它决定萃取过程的方向,推动力的大小和传递过程的极限,是进行萃取过程计算和分析过程影响因素的基本依据之一。在选定萃取剂之后,本文将测定酚类物质在水相和萃取相达到平衡后的液液相平衡数据,并用选定的活度系数模型NRTL和UNIQUAC模型进行关联,得到该模型的二元交互参数,以便于下一步的萃取脱酚工艺流程模拟计算。

    (4)煤气化废水萃取脱酚流程模拟

    完成液液相平衡数据的测定和关联后,本文将在华南理工大学煤气化废水处理流程基础上建立煤气化废水萃取脱酚流程,并采用化工流程模拟AppASPEN PLUS对建立的流程进行模拟计算,并对各个单元进行优化设计,以确定各设备的操作参数。

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