芳烃同分异构体模拟移动床吸附分离性能的分子模拟和实验研究

摘要

模拟移动床技术在芳烃同分异构分离领域具有良好的应用前景,而高效的吸附剂和脱附剂是实现该工艺的关键.该文通过吸附剂的制备和表征、动态吸附实验研究和分子模拟计算三方面的工作,系统地考察了二甲苯、二氯苯和甲酚三个芳烃同分异构体体系在FAU分子筛上的模移动床吸附分离性能.采用对NaY分子筛进行离子交换的方法制备了KY吸附剂,对样品进行火焰光度分析和X射线衍射(XRD)测试,利用衍射角2θ=20.3°位置上XRD峰强度、峰面积在全谱图范围内的百分比与钾离子交换度的线性关系实现了钾离子交换度的定量测定.分别以NaY和KY分子筛作为吸附剂,以对二乙苯、邻二甲苯以及3-戊酮和正丁醇的混合溶液作为脱附剂,采用固定床脉冲实验的方法评价二甲苯、二氯苯和甲酚同分异构体混合物的模拟移动床吸附分离性能.结果表明,KY分子筛提高了对二甲苯和邻二氯苯在各自体系中的吸附分离选择性,而对于甲酚体系没有分离效果.3-戊酮和正丁醇的混合溶液消除了甲酚体系的浓度曲线峰拖尾现象,其脱附作用明显好于邻二甲苯.在分子模拟工作中,采用不同的空间群建立X和Y型分子筛骨架结构,利用能量最小化方法确定碱金属、碱土金属、过渡金属及其混合离子在晶胞中的位置,分别利用QEq和轨道电负性平衡方法计算分子筛晶胞和吸附质分子的电荷分布.在确定模拟用分子筛结构的可靠性与准确性的基础上,采用MD和MM相结合的方法系统地计算了三个芳烃同分异构体体系在交换有不同离子的X、Y型分子筛上的吸附构象和吸附热,计算结果与脉冲实验和文献报道情况一致.同时考察了甲酚体系在全硅MFI和FER分子筛上的吸附分离性能.在详细分析吸附和脱附机理的基础上,提出采用二价铜离子交换改性的X型分子筛可望实现对二氯苯的模拟移动床分离,采用全硅FER分子筛可望实现间甲酚的择形分离.该文工作结果表明,通过分子模拟研究能够有效地为模拟移动床吸附分离芳烃同分异构体的吸附剂和脱附剂开发、选取工作提供方向.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1芳烃同分异构体的分离方法及特点

1.2固定床、移动床和模拟移动床吸附分离工艺简述

1.3模拟移动床技术的应用、研究现状和研究方法

1.3.1模拟移动床技术的应用和研究现状

1.3.2模拟移动床的研究内容和方法

1.3.3芳烃同分异构体模拟移动床分离技术的研究情况

1.4本文研究工作的目标和内容

第二章KY分子筛吸附剂的制备和表征

2.1水热离子交换法制备KY分子筛吸附剂

2.1.1分子筛的离子交换性质

2.1.2 KY分子筛的水热离子交换法制备

2.2 XRD测定NaY分子筛的钾离子交换度初探

2.2.1分子筛样品的XRD测试和火焰光度分析

2.2.2分子筛的火焰光度分析和XRD测试结果

2.2.3 XRD峰强度、峰面积与离子交换度的关联

2.3本章小结

第三章动态吸附实验研究

3.1脉冲实验法简述

3.2固定床动态吸附脉冲实验装置与方法

3.2.1实验装置和流程

3.2.2实验方法和实验条件

3.2.3芳烃同分异构体体系的色谱分析

3.3实验结果及讨论

3.3.1二甲苯体系

3.3.2二氯苯体系

3.3.3甲酚体系

3.4本章小结

第四章模拟移动床吸附分离性能的分子模拟

4.1分子模拟及其在分子筛吸附中的应用和意义

4.2分子模拟计算工具

4.3模拟移动床吸附分离体系计算模型的建立

4.3.1 FAU分子筛的晶胞结构

4.3.2 FAU分子筛晶胞骨架的建立

4.3.3分子筛中可交换金属阳离子位置的确定

4.3.4分子筛骨架原子、非骨架离子和芳烃同分异构体分子电荷分布的确定

4.4分子模拟计算方法及验证

4.4.1分子动力学(MD)和分子力学(MM)相结合的计算方法

4.4.2 MD和MM相结合模拟方法的验证计算

4.5 FAU分子筛吸附二甲苯体系的分子模拟计算和结果讨论

4.5.1 Y型分子筛上的吸附模拟结果与讨论

4.5.2 LSX型分子筛上的吸附模拟结果与讨论

4.6 FAU分子筛吸附二氯苯体系的分子模拟计算和结果讨论

4.6.1 Y型分子筛上的吸附模拟结果与讨论

4.6.2 LSX型分子筛上的吸附模拟结果与讨论

4.7 FAU分子筛吸附甲酚体系的分子模拟计算和结果讨论

4.8甲酚在MFI和FER分子筛上的吸附模拟计算和结果讨论

4.8.1全硅MFI分子筛上的吸附模拟结果与讨论

4.8.2全硅FER分子筛上的吸附模拟结果与讨论

4.9本章小结

第五章结论与展望

参考文献

致谢