萃取精馏中溶剂微观作用机理的分子模拟研究

摘要

在精馏分离过程中，经常遇到许多难分离物系，如苯、噻吩和环己烷，工业中常通过萃取精馏来分离它们，从而实现对资源的回收利用。在萃取精馏中，汽液相平衡数据是设计与优化工艺过程的基础数据，筛选出合适的溶剂是实现低能耗、高效率分离的关键。传统的溶剂筛选方法多基于经验与实验，不仅筛选难度大，且不能对溶剂的萃取机理进行研究。然而萃取机理的研究对溶剂的筛选、分子设计至关重要。因此，本文采用蒙特卡罗方法对难分离多元体系的汽液相平衡性质进行模拟，在此基础上对溶剂的萃取机理进行研究。同时采用量子化学方法比较了不同溶剂的选择性大小，并且探究了溶剂的微观萃取机理，为设计性能优异的溶剂分子提供了理论指导。 力场模型的可靠性决定了汽液相平衡模拟结果的准确度，针对一些溶剂，如 NMP力场参数缺失问题，结合蒙特卡罗与量子化学方法，构建了相应的TraPPE-UA力场。采用新构建的力场模拟了其的汽液相平衡性质，结果表明该力场能较为准确地预测出物质的汽液相平衡性质，为含有如 NMP的二元或三元混合物的相平衡模拟奠定了基础。 基于新构建的TraPPE-UA力场，采用吉布斯系综蒙特卡罗（GEMC）方法计算了溶剂与难分离物系中各组分的二元和三元汽液相平衡性质，如NMP-苯、NMP-噻吩和 NMP-苯-噻吩。模拟值和实验结果较为相符，进一步验证了新构建力场的实用性。并且为了探究溶剂在萃取分离过程中的微观作用机理，计算了三元液相混合物的径向分布函数，如NMP-苯-噻吩。结果表明相比于与苯中的H原子，NMP中的O原子与噻吩中H原子形成了更强的氢键作用，这或许是NMP能够萃取分离苯和噻吩的重要原因之一。 采用量子化学方法计算了溶剂，如DMF、NMP、DMSO、环丁砜与难分离物系，如苯和环己烷之间的相互作用能。通过对溶剂与苯、环己烷之间的相互作用能差进行比较，获得了相应溶剂的选择性大小：DMSO>DMF>NMP>环丁砜。同时通过AIM、RDG分析发现，在溶剂-苯-环己烷体系中，溶剂仅与苯之间存在 C-H…π作用，但溶剂与苯之间的氢键作用弱于与环己烷之间的氢键作用。并且相比于氢键作用，C-H…π作用占主导地位。最后通过ESP分析发现，在苯-环己烷体系中性能优异的溶剂应带有较强的吸电子基团和具有较小的分子体积。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 相平衡数据的获取方法

1.2 溶剂的筛选及萃取机理

1.3 分子模拟方法

1.4 蒙特卡罗方法

1.5 量子化学方法

1.6 本文的研究意义与内容

第2章 氮甲基吡咯烷酮（NMP）的TraPPE-UA力场构建

2.1 力场模型的选择

2.2 NMP力场参数的构建

2.3 模拟细节

2.4 NMP的汽液相平衡模拟

2.5 NMP的液相径向分布函数（RDFs）分析

2.6 小结

第3章 NMP-苯-噻吩三元体系的汽液相平衡模拟

3.1 力场模型

3.2 模拟细节

3.3 NMP-苯和NMP-噻吩的汽液相平衡模拟

3.4 NMP-苯-噻吩的汽液相平衡模拟

3.5 NMP-苯-噻吩三元液相混合物的径向分布函数（RDFs）分析

3.6 小结

第4章 溶剂与苯、环己烷之间相互作用的量子化学计算

4.1 最优构型搜索

4.2溶剂的选择性比较

4.3复合物的最稳定构型分析

4.4 微观萃取机理分析

4.5 小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

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