离子液体⁃芳烃抽提工艺模拟与优化

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.05.004

摘要/Abstract

摘要：

基于Aspen Plus软件的UNIFAC模型，筛选了4种离子液体；在无限稀释状态下，通过评估4种离子液体对芳烃与非芳烃混合体系的选择性，确定了1⁃乙基⁃3⁃甲基咪唑甲磺酸盐（[EMIM][MESO3]）离子液体适合作为萃取剂；分别建立环丁砜⁃芳烃抽提模型和[EMIM][MESO3]⁃芳烃抽提模型，采用灵敏度分析和正交实验对两种模型工艺参数进行优化，确定了最佳的工艺参数。结果表明，在分离效果上，[EMIM][MESO3]⁃芳烃抽提工艺优于环丁砜⁃芳烃抽提工艺；在能耗和经济性分析方面，与环丁砜⁃芳烃抽提工艺相比，[EMIM][MESO3]⁃芳烃抽提工艺中冷却器和加热器的能耗分别降低69.58%和46.38%，年度总投资（ΔTIC）、年度运行成本（TOC）和年度总成本（ΔTAC）分别降低30.15%、30.08%和30.13%。

关键词: 芳烃抽提, 离子液体, 环丁砜, Aspen Plus, 经济分析

Abstract:

Four ionic liquids were screened using the UNIFAC model in Aspen Plus. At infinite dilution, their selectivities for aromatic/non⁃aromatic mixtures were evaluated, and 1⁃ethyl⁃3⁃methylimidazolium methanesulfonate ([EMIM][MESO3]) was selected as the extractant. A sulfolane⁃based aromatic extraction model and an [EMIM][MESO3]⁃based aromatic extraction model were then established. Sensitivity analysis and orthogonal experiment were used to optimize the process parameters of the two models and determine the optimal operating conditions. The results show that the [EMIM][MESO3]⁃based extraction process provides better separation performance than the sulfolane⁃based process. In terms of energy consumption and economics, compared with the sulfolane⁃based process, the [EMIM][MESO₃]⁃based process reduces cooler and heater energy consumption by 69.58% and 46.38%, respectively. The annual total investment (ΔTIC), annual operating cost (TOC), and annual total cost (ΔTAC) are reduced by 30.15%, 30.08%, and 30.13%, respectively.

Key words: Aromatic hydrocarbon extraction, Ionic liquid, Sulfolane, Aspen Plus, Economic analysis

中图分类号:

TQ028.8

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图/表 10

表1 基团体积参数Rk、基团表面积参数Qk与基团之间的相互作用参数

Table 1 Interaction parameters between group volume parameter Rk, surface area parameter Qk, and groups

基团n	与基团m的相互作用参数
基团n	CH₂	CH₃	[MIM]	[NTf₂]	[Py]	[IM]	[NO₃]	[MESO₃]
CH₂	—	—	369.62	97.13	552.71	369.62	19 525.00	936.11
CH₃	—	—	369.62	97.13	552.71	369.62	19 525.00	936.11
[MIM]	5 923.20	5 923.20	—	—	—	—	—	—
[NTf₂]	296.97	296.97	—	—	—	—	—	—
[Py]	403.79	403.79	—	—	—	—	—	—
[IM]	5 923.20	5 923.20	—	—	—	—	—	—
[NO₃]	8 984.70	8 984.70	—	—	—	—	—	—
[MESO₃]	5 610.10	5 610.10	—	—	—	—	—	—
R_k	0.674 4	0.901 1	2.848 2	5.773 8	2.667 0	1.947 1	1.661 1	2.712 6
Q_k	0.540 0	0.848 0	1.714 0	4.932 0	1.553 0	0.866 0	1.528 9	2.370 1

表2 离子液体对芳烃物系的选择性系数

Table 2 Selectivity factors of ionic liquids for aromatic systems

芳烃体系	ILs	$D i, I L s ∞$	$D j, I L s ∞$	$γ i, I L s ∞$	$γ j, I L s ∞$	$S i j ∞$
正己烷⁃苯	[EMIM][NTf₂]	0.013 6	2.38	73.73	0.42	176.66
	[BMPy][NTf₂]	0.086 4	3.03	11.58	0.33	35.42
	[EIM][NO₃]	0.004 9	7.69	204.33	0.13	1 557.78
	[EMIM][MESO₃]	0.001 7	6.25	598.97	0.16	3 796.17
正庚烷⁃甲苯	[EMIM][NTf₂]	0.005 6	2.33	179.24	0.43	418.98
	[BMPy][NTf₂]	0.046 8	3.13	21.36	0.32	67.77
	[EIM][NO₃]	0.001 9	12.5	532.55	0.08	6 818.88
	[EMIM][MESO₃]	0.000 5	9.09	1 912.50	0.11	17 640.18
正辛烷⁃二甲苯	[EMIM][NTf₂]	0.002 3	2.44	431.40	0.41	1048.66
	[BMPy][NTf₂]	0.025 6	3.45	39.00	0.29	136.83
	[EIM][NO₃]	0.000 7	25.00	1 374.13	0.04	31 499.17
	[EMIM][MESO₃]	0.000 2	14.29	6 045.47	0.07	86 504.89

表2 离子液体对芳烃物系的选择性系数

Table 2 Selectivity factors of ionic liquids for aromatic systems

芳烃体系	ILs	$D i, I L s ∞$	$D j, I L s ∞$	$γ i, I L s ∞$	$γ j, I L s ∞$	$S i j ∞$
正己烷⁃苯	[EMIM][NTf₂]	0.013 6	2.38	73.73	0.42	176.66
	[BMPy][NTf₂]	0.086 4	3.03	11.58	0.33	35.42
	[EIM][NO₃]	0.004 9	7.69	204.33	0.13	1 557.78
	[EMIM][MESO₃]	0.001 7	6.25	598.97	0.16	3 796.17
正庚烷⁃甲苯	[EMIM][NTf₂]	0.005 6	2.33	179.24	0.43	418.98
	[BMPy][NTf₂]	0.046 8	3.13	21.36	0.32	67.77
	[EIM][NO₃]	0.001 9	12.5	532.55	0.08	6 818.88
	[EMIM][MESO₃]	0.000 5	9.09	1 912.50	0.11	17 640.18
正辛烷⁃二甲苯	[EMIM][NTf₂]	0.002 3	2.44	431.40	0.41	1048.66
	[BMPy][NTf₂]	0.025 6	3.45	39.00	0.29	136.83
	[EIM][NO₃]	0.000 7	25.00	1 374.13	0.04	31 499.17
	[EMIM][MESO₃]	0.000 2	14.29	6 045.47	0.07	86 504.89

表3 环丁砜?芳烃抽提模型的正交实验因素水平

Table 3 Orthogonal test factor levels of sulfolane aromatic hydrocarbon extraction model

水平	因素A：溶剂比	因素B：溶剂温度/℃	因素C：塔板数	因素D：再沸比
1	2.0	40	5	0.9
2	2.5	50	6	1.0
3	3.0	60	7	1.1

图1 环丁砜?芳烃抽提模型的工艺参数优化

Fig.1 Process parameter optimization of sulfolane aromatic hydrocarbon extraction model

图2 以溶剂纯度为目标的正交实验设计结果

Fig.2 Results of the orthogonal experiment design aimed at solvent purity

图3 [EMIM][MESO3]?芳烃抽提模型的工艺参数优化

Fig.3 Process parameter optimization of [EMIM][MESO3] aromatic hydrocarbon extraction model

表4 [EMIM][MESO3]?芳烃抽提模型的正交实验因素水平

Table 4 Orthogonal test factor levels of [EMIM][MESO3] aromatic hydrocarbon extraction model

水平	因素A：溶剂比	因素B：溶剂温度/℃	因素C：塔板数	因素D：再沸比
1	0.3	30	4	3.4
2	0.4	40	5	3.6
3	0.5	50	6	3.8

图4 以溶剂损耗率为目标的正交实验设计结果

Fig.4 Results of the orthogonal experiment design aimed at solvent loss rate

表5 两种芳烃抽提工艺模拟关键参数

Table 5 Key parameters of simulation for two aromatic extraction processes

参数	数值（[EMIM][MESO₃]⁃芳烃抽提工艺）		数值（环丁砜⁃芳烃抽提工艺）
参数	芳烃抽提塔	溶剂回收塔	芳烃抽提塔	溶剂回收塔
塔板数	3	6	3	6
萃取剂进料位置	3	—	3	—
原料进料位置	1	1	1	1
溶剂比	2.0	—	0.5	—
再沸比	—	0.9	—	3.8
塔顶压力/kPa	120	9	120	9
塔底压力/kPa	130	10	130	10
塔高/m	2.20	4.39	2.20	4.39
塔径/m	0.10	0.14	0.10	0.17
再沸器负荷/kW	—	24.49	—	15.52
再沸器面积/m²	—	3.23	—	8.89

表6 两种芳烃抽提工艺模拟经济性分析结果

Table 6 Economic analysis results of simulation for two aromatic extraction processes

参数	数值
参数	[EMIM][MESO₃]⁃芳烃抽提工艺	环丁砜⁃芳烃抽提工艺
冷却器负荷/kW	4.44	15.29
加热器负荷/kW	3.89	11.71
冷却器面积/m²	0.09	0.40
加热器面积/m²	0.39	1.10
芳烃脱除率/%	99.66	99.96
芳烃纯度/%	86.64	95.81
芳烃回收率/%	99.50	99.90
溶剂纯度/%	99.95	99.92
溶剂损耗率/%	0.48	2.98
塔费用×10^-4/＄	0.29	0.29
换热器费用×10^-4/＄	2.13	4.23
总设备费用×10^-4/＄	2.42	4.52
萃取剂成本×10^-4/＄	1.68	1.35
冷却费用×10^-2/＄	0.79	2.59
蒸汽费用×10^-3/＄	1.78	2.40
ΔTIC×10^-4/＄	4.10	5.87
TOC×10^-3/＄	1.86	2.66
ΔTAC×10^-4/＄	4.29	6.14

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