亞硝酸乙酯-乙醇二元體系常壓汽液平衡研究

胡玉容，李揚(yáng)，范鑫，夏偉，袁小金，許紅云，陳曉華

(西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司國家碳一化學(xué)工程技術(shù)研究中心，工業(yè)排放氣綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610225)

亞硝酸乙酯-乙醇二元體系常壓汽液平衡研究

胡玉容，李揚(yáng)，范鑫，夏偉，袁小金，許紅云，陳曉華

(西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司國家碳一化學(xué)工程技術(shù)研究中心，工業(yè)排放氣綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610225)

采用改進(jìn)的Rose平衡釜測定了亞硝酸乙酯-乙醇二元體系在常壓下的汽液平衡數(shù)據(jù)，分別用NRTL和UNIQUAC熱力學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)得到模型參數(shù)，并進(jìn)行了熱力學(xué)一致性檢驗(yàn)。結(jié)果表明，二種不同模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值都較為吻合，為工程設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

亞硝酸乙酯；乙醇；汽液平衡

草酸二乙酯是重要的有機(jī)化工原料，可以制備多種重要的溶劑和萃取劑、染料及醫(yī)藥中間體等。傳統(tǒng)草酸二乙酯生產(chǎn)技術(shù)存在著轉(zhuǎn)化率低、原料昂貴、反應(yīng)物消耗量大，環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)[1]。自上世紀(jì)80年代以來，研究者利用C1化工技術(shù)，開發(fā)了CO氣相偶聯(lián)制備草酸二乙酯的新工藝。這個(gè)工藝有利于資源的合理利用，緩解能源危機(jī)，減輕環(huán)境污染，對(duì)有機(jī)化工新原料路線開發(fā)有著深遠(yuǎn)的意義。該路線的產(chǎn)品分離過程設(shè)計(jì)中需要亞硝酸乙酯（EN）、乙醇（EA）所構(gòu)成物系的汽液平衡數(shù)據(jù)，而亞硝酸酯的物性數(shù)據(jù)很有限，關(guān)于亞硝酸酯體系的平衡數(shù)據(jù)沒有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，因此需要實(shí)驗(yàn)測定汽液平衡數(shù)據(jù)，并借助化工過程模擬軟件，采用NRTL和UNIQUAC方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為工業(yè)化裝置提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

試劑：乙醇，分析純，干燥脫水，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%;亞硝酸乙酯，用金屬絲網(wǎng)填料精餾柱精餾，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%

儀器：改進(jìn)型ROSE汽液平衡釜；氣相色譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)型ROSE汽液平衡釜[2-3]，汽液平衡測定裝置恒壓系統(tǒng)，由絕對(duì)壓力變送器測定控制穩(wěn)壓瓶內(nèi)電熱絲加熱以調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，調(diào)節(jié)精度為±0.01kPa，使整個(gè)系統(tǒng)壓力保持101.32kPa，溫度測定采用校準(zhǔn)后的A級(jí)鉑電阻，測定精度為± 0.04℃。當(dāng)釜中汽液相達(dá)到平衡后，記錄平衡溫度，再分別采取汽相和液相樣品用氣相色譜分析，用校正后的面積歸一化計(jì)算其組成。

圖1 雙循環(huán)汽液平衡釜

1.3 測定結(jié)果

在101.32kPa壓力下，測定的EN-EA體系汽液平衡數(shù)據(jù)見表1及圖2。

表1 亞硝酸乙酯（1）-乙醇（2）二元體系汽液平衡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)

圖2 亞硝酸乙酯（1）-乙醇（2）體系T-x-y圖（101.325kPa）

1.4 熱力學(xué)一致性檢驗(yàn)

采用Herington[4]積分檢驗(yàn)法（面積檢驗(yàn)法）對(duì)二元的等壓汽液平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力學(xué)一致性檢驗(yàn)。計(jì)算過程如下:

由式（3）計(jì)算得D值為23.7，由式(4)得到J值為30.2，根據(jù)(D-J)=-6.51＜10可知，該等壓汽液平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合熱力學(xué)一致性。

2 汽液平衡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

2.1 氣液平衡基本方程式

在101.32kPa壓力條件下，EN-EA二元體系的汽相可視為理想氣體，液相為非理想溶液，非理想溶液的平衡分壓可用修正的拉烏爾定律表示，相關(guān)汽液平衡公式見式（5），飽和蒸汽壓用Antoine蒸汽壓方程計(jì)算，見式（6），EN和EA的純物質(zhì)物理常數(shù)見表2。

表2 EN與EA安托尼常數(shù)

2.2 液相活度系數(shù)計(jì)算

本研究體系中除EA、EN外，還含有草酸二乙酯、乙醛、水、甲酸乙酯等多個(gè)組分，其中水與草酸二乙酯、水與EA都是部分互溶物系，因此Wilson方程不實(shí)用，而采用NRTL、UNIQUAC方程分別對(duì)汽液平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和計(jì)算，汽相逸度系數(shù)用化學(xué)理論計(jì)算。

（1）NRTL模型

NRTL液相活度模型方程如下：

（2）UNIQUAC模型

UNIQUAC液相活度模型方程如下:

r是純組分的體積參數(shù)，q是純組分的面積參數(shù)，Z是配位數(shù)，取10。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)結(jié)果

為獲得全濃度范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)結(jié)果，分別采用NRTL和UNIQUAC模型對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。亞酯-乙醇體系采用最大似然函數(shù)法[5]進(jìn)行VLE計(jì)算，關(guān)聯(lián)選擇目標(biāo)函數(shù)為：

表3 二元體系NRTL和UNIQUAC模型相互作用參數(shù)

3 結(jié)論

(1)用改進(jìn)型ROSE汽液平衡釜測定了EN-EA在101.32kPa下的汽液平衡數(shù)據(jù)，用Herington規(guī)則做熱力學(xué)一致性檢驗(yàn)，該組平衡數(shù)據(jù)符合熱力學(xué)一致性。

(2)借助化工輔助軟件，采用NRTL和UNIQUAC模型模擬關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明兩種模型的計(jì)算結(jié)果比較接近，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，表明測定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能滿足汽液平衡熱力學(xué)性質(zhì)，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

符號(hào)說明

t-攝氏溫度，℃；p-壓力，kPa；Δ-計(jì)算值與實(shí)測值之差；x-組分的液相摩爾分率；y-組分的汽相摩爾分率；γ-組分的活度系數(shù)；J-Herrington面積檢驗(yàn)法計(jì)算過程變量；T-體系沸點(diǎn)；A、B、C-組分Antoine蒸汽壓方程常數(shù)；r-組分的體積參數(shù)；q-組分的面積參數(shù)；Z-配位數(shù)，取10；α-NRTL方程模型參數(shù)；G-NRTL方程參數(shù)；τ-能量配偶參數(shù)；g-分子間相互作用能量，J/mol；δ-測量誤差；n-樣本數(shù)；f-參數(shù)個(gè)數(shù)；w-權(quán)數(shù)上下標(biāo)：i-組分；c-計(jì)算值；e-實(shí)驗(yàn)值；1-亞硝酸乙酯；2-乙醇

[1]王保偉,馬新賓,韓森,等.CO氣相合成草酸二乙酯的載體研究[J].天然氣化工(C1化學(xué)與化工),2005,30(1):6-10.

[2]胡文勵(lì)，陳津津，劉清源．碘甲烷-醋酸甲酯碘甲烷-甲醇和碘甲烷-醋酸等系統(tǒng)常壓下汽液平衡的研究[J]．化工學(xué)報(bào),1980,(4):353-354．

[3]毛震波,吳路平,賈繪如,等.碘甲烷-丙酮二元體系常壓汽液平衡的研究[J].天然氣化工(C1化學(xué)與化工), 2008,33(5):20-22.

[4]朱自強(qiáng),徐汛．化工熱力學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991:205-209.

[5]胡文勵(lì)．科研工作中應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合的一點(diǎn)心得[Z].成都:西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司,1996:5-8.

Study on vapor-liquid equilibrium of ethyl nitrite-ethanol binary system at normal pressure

HU Yu-rong,LIYang,FAN Xin,XIAWei,YUAN Xiao-jin,XüHong-yun,CHEN Xiao-hua
(National Engineering Research Center for C1 Chemistry,State Key Laboratory of Industrial Vent Gas ReuseIndustrial VentGas Reuse,Southwest Research and Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Chengdu 610225,China)

Vapor-liquid equilibrium data of ethyl nitrite-ethanol binary system were determined by using an improved Rose VLE caldron at101.32kPa．The VLE data were correlated by using chemical engineering simulation software with the NRTL or UNIQUAC mode,and the regressive vapor compositions under the differentmodeswere compared with the corresponding experimental data.The result indicated that the twomodeswere suitable.These data could be used for the relevant chemical engineering design．

ethyl nitrite;ethanol;vapor-liquid equilibrium

TQ013.1；O642

A

1001-9219(2015）02-35-04

2014-10-25；基金來源：非石油路線制備大宗化學(xué)品四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)（2014TD0015）；作者簡介：胡玉容（1980-），女，高級(jí)工程師，電話028-85963415，電郵syzhyr@163.com。