苯酚和二氧化碳合成碳酸二苯酯的熱力學(xué)分析

李小鵬，鄭立輝，宋光森，范國(guó)枝，胡廷平

(武漢工業(yè)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

碳酸二苯酯(DPC)是一種重要的碳酸酯，無(wú)毒、無(wú)污染，是有機(jī)化合物和高分子化合物的合成原料[1]。DPC的合成方法有光氣法、氧化羰基法、酯交換法、尿素法和二硫化碳法[2]。 Li等[3]對(duì)苯酚和二氧化碳合成DPC的反應(yīng)進(jìn)行了研究，F(xiàn)an等[4]研究了在四氯化碳存在下、以氯化鋅作催化劑時(shí)合成DPC的反應(yīng)，提出了可能的反應(yīng)機(jī)理。

從熱力學(xué)角度進(jìn)行分析，找出合理的反應(yīng)條件，以提高DPC的選擇性和收率，對(duì)指導(dǎo)DPC的合成具有重要意義。為此，作者對(duì)以苯酚和二氧化碳為原料合成DPC的過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)分析。

1 熱力學(xué)分析方法的選擇

對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，常用的方法有兩種：一種是從ΔrG=ΔrH-TΔrS出發(fā)，計(jì)算不同溫度下反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能的變化(ΔrG)和平衡常數(shù)，當(dāng)反應(yīng)物及產(chǎn)物處于液態(tài)時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算不同溫度下液體的蒸發(fā)焓、氣態(tài)熵和液體熵[5，6]，但估算的數(shù)值較多，比較繁瑣；另一種是首先依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能(ΔfGθ)的定義[7]，根據(jù)理想氣體狀態(tài)熱容等數(shù)據(jù)計(jì)算不同溫度下反應(yīng)物和產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能，然后計(jì)算反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能的變化(圖1)。

i.物質(zhì)種類 TK.溫度 ps.溫度為TK時(shí)物質(zhì)的飽和蒸汽壓

1.1 不同溫度下的理想氣體狀態(tài)摩爾生成吉布斯自由能的計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能的定義計(jì)算不同溫度下的理想氣體狀態(tài)摩爾生成吉布斯自由能。處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的單質(zhì)及處于理想氣體狀態(tài)的相應(yīng)化合物的熱力學(xué)性質(zhì)及理想氣體狀態(tài)恒壓熱容數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算理想氣體狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能所需數(shù)據(jù)

將得到的各物質(zhì)的理想氣體狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到：

ΔfGθ=L+MT+NT2

各物質(zhì)的系數(shù)如表2所示。

表2 理想氣體狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能隨溫度變化的系數(shù)

1.2 △G1(i,TK)、△G2(i,TK)的計(jì)算

△G1(i,TK)是理想氣體狀態(tài)摩爾吉布斯自由能隨壓力的變化，可由下式計(jì)算:

其中苯酚的飽和蒸汽壓參照文獻(xiàn)[11]計(jì)算，二氧化碳的飽和蒸汽壓取8 MPa，水的飽和蒸汽壓取自文獻(xiàn)[8]，DPC的飽和蒸汽壓依據(jù)三參數(shù)對(duì)應(yīng)態(tài)原理估算[12]；DPC的物性參數(shù)取自文獻(xiàn)[13]，其余物質(zhì)的物性參數(shù)取自文獻(xiàn)[9]。

△G2(i,TK)是偏離摩爾吉布斯自由能，是指處于理想氣體狀態(tài)的物質(zhì)變化到處于同溫同壓下實(shí)際氣體狀態(tài)的摩爾吉布斯自由能的變化，依據(jù)三參數(shù)對(duì)應(yīng)態(tài)原理計(jì)算[12]，物性參數(shù)如表3所示。

表3 物質(zhì)的物性參數(shù)

△G3(i,TK)表示物質(zhì)處于汽液兩相平衡。按照相平衡原理，對(duì)苯酚、水蒸氣及DPC來(lái)說(shuō)，因?yàn)樘幱谄浩胶鉅顟B(tài)，△G3(i,TK)為零；對(duì)二氧化碳來(lái)說(shuō)，因?yàn)椴淮嬖谄浩胶?，故不考慮△G3(i,TK)。

2 結(jié)果與討論

2.1 理論計(jì)算結(jié)果(表4)

表4計(jì)算結(jié)果中水蒸氣和二氧化碳的數(shù)據(jù)是可靠的，誤差主要來(lái)自于苯酚和碳酸二苯酯。

苯酚的摩爾生成吉布斯自由能隨溫度的升高而增大，甚至出現(xiàn)正值，這種變化趨勢(shì)超出預(yù)期，但仍然是可信的，因?yàn)榱硪粋€(gè)表示理想氣體狀態(tài)苯酚摩爾生成吉布斯自由能與溫度的關(guān)系公式[14]：

△fG(苯酚，TK)=-97.896+0.2114T+1.9980×10-5T2

該公式的摩爾生成吉布斯自由能的單位是kJ·mol-1，表現(xiàn)出相同趨勢(shì)。

碳酸二苯酯的計(jì)算誤差主要來(lái)自理想氣體狀態(tài)恒壓熱容數(shù)據(jù)。

由于所求溫度下平衡常數(shù)是一個(gè)很大的正值，因此在計(jì)算溫度范圍內(nèi)不考慮平衡常數(shù)隨溫度的變化，計(jì)算苯酚平衡轉(zhuǎn)化率隨二氧化碳與苯酚摩爾比的變化，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 計(jì)算結(jié)果

表5 苯酚平衡轉(zhuǎn)化率隨二氧化碳與苯酚摩爾比的變化

由表5可知，隨二氧化碳與苯酚摩爾比的增大，苯酚平衡轉(zhuǎn)化率逐漸升高；當(dāng)二氧化碳與苯酚摩爾比大于2∶1后，苯酚平衡轉(zhuǎn)化率變化不大。因此，二氧化碳與苯酚摩爾比以2∶1為宜。

2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在相同條件下，反應(yīng)溫度對(duì)碳酸二苯酯收率的影響見(jiàn)表6。

表6 反應(yīng)溫度對(duì)碳酸二苯酯收率的影響

由表6可知，盡管所使用的催化劑不同，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱力學(xué)分析是一致的，即高溫有利于苯酚和二氧化碳轉(zhuǎn)化生成碳酸二苯酯，溫度在200 ℃以下為宜，但實(shí)驗(yàn)的收率偏低。文獻(xiàn)[3]的結(jié)果也與熱力學(xué)分析是一致的。

相同條件下，僅改變二氧化碳?jí)毫r(shí)，碳酸二苯酯收率與理論分析基本一致，這也證明了熱力學(xué)分析所得到的結(jié)論是可靠的。盡管有個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)與上述分析矛盾，但并不妨礙分析結(jié)論的可靠性。

3 結(jié)論

根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)原理，計(jì)算了苯酚和二氧化碳合成碳酸二苯酯的反應(yīng)在不同溫度下的摩爾吉布斯自由能變化。結(jié)果表明：高溫有利于苯酚和二氧化碳轉(zhuǎn)化生成碳酸二苯酯，考慮到設(shè)備耐壓及能耗，溫度在200 ℃以下為宜；苯酚平衡轉(zhuǎn)化率隨二氧化碳與苯酚摩爾比的增大而升高；在其它條件相同時(shí)，升高二氧化碳?jí)毫?duì)平衡有利。該方法計(jì)算簡(jiǎn)便、估算數(shù)據(jù)較少、準(zhǔn)確度較高、思路通用性較強(qiáng)，可用于化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)分析。

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