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以离子液体为介质的工艺是一个涉及多个尺度、多种因素的复杂过程,需要从系统工程的角度进行集成优化,以保证全局的资源、能源、经济和环境的协调最优。本文基于量化计算、COSMO-RS模型、热力学模型和流程模拟等多种模拟计算工具,结合绿色度理论和多目标优化算法,对离子液体抽提分离丁二烯、吸收捕集CO2、催化联产碳酸二甲酯/乙二醇等三个工艺进行了系统集成研究。本研究主要内容包括：
⑴基于量子化学计算和COSMO-RS模型计算,考察了丁二烯抽提溶剂的萃取性能与其结构之间的关系,得到离子液体筛选原则:极性大、体积小、氢键键合能力强；考察了阳离子对分离性能的影响,发现随着烷基侧链碳数的增大,离子液体的分离能力先减小后增大,同时烷基侧链的功能化会使萃取性能变差；根据电子密度分析,发现阴离子对分离性能具有更重要的影响；基于流程模拟、神经网络、遗传算法以及绿色度理论,对离子液体工艺进行了考虑环境影响的多目标优化,发现离子液体新工艺与原乙腈工艺相比,能耗可降低27.2％,绿色度提高9.25％,丁二烯回收率提高0.71％,乙腈用量减少24％。
⑵基于量子化学计算和COSMO—RS模型计算,发现由于内部存在氢键结构,常规离子液体具有比有机溶剂更好的吸收CO2性能；得到了筛选离子液体吸收剂的准则:阳离子具有长碳链、C-2位上无取代,阴离子具有大的偶极、四极和体积；考察了水对离子液体吸收性能的影响,发现水通过与离子液体发生氢键作用,可使其性能降低；考察了功能化离子液体[MDEA][Cl]的吸收机理,发现其吸收性能由其化学活性和氢键成键能力共同决定；基于COSMO-RS模型,建立了[MDEA][Cl]吸收体系的热力学模型；基于流程模拟,发现与原MDEA工艺相比,离子液体工艺可使总能耗降低26.2％,溶剂损失降低61.6％,吸收富液中CO2的载量增加98.2％,二氧化碳收率提高0.1％。
⑶基于流程模拟、神经网络和遗传算法,对离子液体催化联产碳酸二甲酯/乙二醇工艺进行了集成优化,发现相对于Texaco工艺,离子液体新工艺可使每吨EG产品的净收益提高593元,相对原工艺增加11.5％,同时工艺能耗降低8.7％。