β-苯乙醇与乙醇汽液相平衡数据测定与关联

第41卷第11期广州化工Vol 41 No. 112013年6月Guangzhou Chemical IndustryJune 2013β-苯乙醇与乙醇汽液相平衡数据测定与关联付正立(福州工业学校,福建福州350018)摘要:利用沸点仪测定B-苯乙醇与乙醇的汽液相平衡数据,同时实验测得的B-苯乙醇的饱和蒸汽压与温度,采用LeeKesler法估算不同温度下β-苯乙醇的饱和蒸气压,得到B-苯乙醇的 Antoine方程,应用 Wilson方程进行关联,获得相应的模型参数,为B-苯乙醇的分离提纯工艺提供了基础数据与理论依据关键词:B-苯乙醇;饱和蒸气压;汽液平衡; Wilson方程中图分类号:065文献标识码:A文章编号:1001-9677(2013)11-0159-04Determination and Correlation of Vapor-liquid EquilibriumData for B-phenylethanol and EthanolZheng-liFuzhou Industrial School, Fujian Fuzhou 350018, China)Abstract: B-phenylethano and ethanol vapor-liquid equilibrium data were determined by using ebulliometerAt the same time, the experimental measured B- phenylethanol saturated vapor pressure and temperature. The saturated vapor pressures of B- phenylethanol at different temperatures were estimated by the Lee-Kesler method. TheAntoine equation of B- phenylethanol was regressed. Associated with Wilson equation, the corresponding modelparameters were obtained. The basic data and theoretical basis of B-phenylethano separation purification processwere providedKey words: B- phenylethanol; saturated vapor pressure; vapour liquid equilibrium; Wilson equationB-苯乙醇是一种具有淡雅、细腻而持久的玫瑰气味的芳管拿下,在该处连接真空泵,通过4阀门的调节来调节系统的香醇,在食品、药品、化妆品、烟草和日化用品中有着广泛的真空度。应用。B-苯乙醇的生产方法主要有物理提取法、化学合成法和生物转化法等2,其中生物转化法生产得到的B-苯乙醇无不良副产物,产品品质高,被广泛应用于B-苯乙醇的合成。发酵液经树脂吸附和乙醇洗脱后含有少量水的乙醇、B-苯乙醇洗脱液需经过精馏分离和精制才能获得β-苯乙醇产品,并冷却水回收洗脱剂乙醇。然而B-苯乙醇与乙醇二元系汽液平衡数据目前尚未见公开的文献报道。因此,本文对B-苯乙醇与乙醇二元体系汽液相平衡数据进行测定,这不仅对生物法合成B-苯乙醇的工业应用具有十分重要的意义,而且也为洗脱液中1冷却水β-苯乙醇的分离提纯工艺提供了基础数据与理论依据。汽液平衡数据实验采用直接法中的汽相单循环法测定3。1乙醇-β-苯乙醇体系汽液平衡数据1.1汽液平衡实验装置图1汽液平衡实验装置实验装置如图1所示。1.加热套;2.沸石;3.沸点仪;4.汽相取样口该装置为接有回流冷凝管的圆底烧瓶,冷凝管底部有一小5.冷凝管;6.温度计;7.铁架台槽,用以收集冷凝下来的平衡蒸汽的样品,该样品可用细长的胶头滴管从取样口4抽取,液相样品则通过烧瓶口抽取。同本实验乙醇-B-苯乙醇体系的汽液平衡和精馏实验样品时,该装置还可用来测饱和蒸汽压,测饱和蒸汽压时,将冷凝组成的分析用阿贝折射仪分析。因为B-苯乙醇和乙醇的折射率相差较大,且折射率法所需的样品量少,测量较为迅速,因作者简介:付正立(1968-),男,硕士,讲师,主要从事传质分离研究广州化工2013年6月此本实验适用。折射率是物质的一个特征数值。溶液的折射率和蒸汽压,下面就对B-苯乙醇饱和蒸汽压进行测定与组成有关,因此测得一系列已知浓度的溶液折射率,做出在2.1B-苯乙醇饱和蒸汽压的测定定温度下溶液的折射率一组成工作曲线,就可以按内插法得本实验测定饱和蒸汽压的装置如图3所示。到这种未知溶液的组成。测定时,保持温度在30℃,测得乙醇-B-苯乙醇的组成折光率工作曲线如图2所示,得到乙醇-B-苯乙醇溶液中乙醇的质量分数y与折光率n的关系为y=6.17ln2-23.67ln+21.775y=61711n2-23.671n+21.75R2=0.9999毅0图3饱和蒸汽压测定装置1.加热套;2.沸石;3.烧瓶;4.放空口;5.真空泵;6.铁架台该装置通过真空泵抽气,并通过放空口的调节来保持系统压力的稳定,当烧瓶内溶液沸腾且温度稳定后,从温度计上读得温度,从真空泵上的真空表读得压力,这样就能得到烧瓶内折光率n液体的饱和蒸汽压P,与温度T的数据。图2乙醇-B-苯乙醇溶液的阿贝折射仪标准曲线(30℃)实验测得的B-苯乙醇的饱和蒸汽压与温度如表2所示。1.2实验步骤表2B-苯乙醇饱和燕汽压实验值实验测定乙醇-B-苯乙醇体系汽液平衡的步骤如下(1)配制某一浓度的β-苯乙醇-乙醇混合液,加入沸点仪(2)搭好装置,开始加热,当混合液沸腾且温度稳定约169.5min后,汽相及液相各取一个样;l86.1(3)用阿贝折射仪测定汽相和液相样品的折射率;(4)在原来的混合液中再加入B-苯乙醇或乙醇,改变混199.9合液的组成,重复(2)、(3)步骤。208.91.3汽液平衡数据216.501300实验得到的乙醇-B-苯乙醇汽液平衡数据,按特鲁顿规则及克劳休斯一克拉贝龙公式计算进行温度校正,得到汽液平2.2B-苯乙醇饱和蒸汽压的估算衡数据。2.2.1估算方法蒸汽压p,的估算方法有多种,此处用Le- Kesler法(,表1校正温度后的汽液平衡数据(摩尔摩尔分率)其估算公式如下:T℃T℃P0.99951.000078.80.66340.9948P0.98330.999979.20.59870.9932f=5.9714~6.096481.28862lnT,+0.163477(2)80.00.55430.990992.30.94580.998680.70.50780.9898f)=15.2518-15.687571-13.472lnT,+0.43577°(3)-lnn-5.92714+6.0964861+1.28862ln-0.16934760.92440.998381.10.47620.988697.815.2518-15.68756-1-13.4721l19+0.435770.90490.998182.00.42990.9869100.80.87800.997782.80.35710.9853(5)0.85300.996783.70.30740.9791110.6T0.82550.9962(6)0.27140.9685122.20.79490.995985.40.13860.8982148.1式中:T——临界温度,K0.74380.995620.08150.7915170.9P—临界压力,atm0.69930.995487.936203.8献中未能查到B-苯乙醇的T、P,因此,还必须对B0.65190.993289.20.0.0105214.5苯乙醇的T、P进行估算。此处用 Lydersen法4),其计算方法0.68820.99544如下:T=7[0.567+∑AT-∑(△7)2](72B-苯乙醇的饱和蒸汽压P.=M[034+∑4]2由于汽液相平衡数据关联时需用到B-苯乙醇和乙醇的饱上式中,温度单位为K,压力单位为am,T为沸点,第41卷第l1期付正立:B-苯乙醇与乙醇汽液相平衡数据测定与关联161△T、4paA为k基团的贡献值,可从文献中查得,M为分子量。n=23.14336-3450(10)2.22B-苯乙醇饱和蒸汽压的估算对于B-苯乙醇,其分子中有5个2个式中:P—饱和蒸汽压,PaT—温度,K一CH2-、1个-OH(醇类),查得它们的△T值分别为0.011、0011、0.020、0.082,A值分别为0.154、0.154、0.227、3汽液相平衡数据的关联006,所以B-苯乙醇饱和蒸汽压的估算如下要清晰地描述汽液平衡数据,需要提供平衡体系的温度∑△7=0.011×5+0.011+0.02×2+0.0832=0.188压力P、汽相组成y和液相组成x1。这些参数可以通过实验测∑4p4=0.054×5+0.154+0.227×2+0.06=1438得,但更多时候,需要建立模型以便计算得到更多的(T,p,∑(47)2=0.02×5+0012+00m2×2+0.0g2=00825x,x)数据,才能满足工程实践的需要。采用活度系数法常用的汽液平衡计算通式为T=T[0.567+∑4Ta-∑(ATn)2=(273.15+219)[0.567+0.188-0.00825]中!= P: y, expV(P-P)N)(11)RT659.06K式中:P—相平衡的压力P.=M[0.34+∑△p4]2=M034+∑4]2y—i组元在汽相中的摩尔分数=122.16x(0.34+1.438)=38.64amd—i组元在汽相混合物中的逸度系数T273.15+219相平衡温度T下纯物质i的饱和蒸汽压=0.7467T659.06中—i组元作为纯气体时,在相平衡温度T、饱和ln-5.92714+6096488-1+1.28862hn0-0.1693476蒸汽压p下的逸度系数u=-15.2518-15.687591-13.4721l+0.4357=2.04i组元的活度系数取T=219.00℃,即T=49215K,则组元在液相中的摩尔分数492.15659.06=0.746745v—纯物质i的液相摩尔体积R——通用气体常数f=592714、6.09648-1.28862×hn0.746745+T—相平衡温度0.746745v(P-p0.169347×0.746745°=-1.83125本实验在常压下进行,压力不大,(Rr-)-1f=15.2518-15.6875×0.7467451-13.4721X且常压下,汽相可视为理想气体,于是有中=1,的=1。所n0.746745+0.43577×0.746745°=-1.74620以,式(11)可表达为38.641.83125-1.044×1.74P=Pyx(i=1,2,…,N)式(12)中,y,可用Wlon模型计算得出;计算y需用取T为不同的值,计算P,得到B-苯乙醇饱和蒸汽压估到x,故将x视为已知值;P=∑px。于是可得求得P,=0.9975am,即P=101300Pa算值,进行ln,-T的关系拟合,得到B-苯乙醇的 Antoine方PiyiXi(13)程为p为相平衡温度T下纯物质i的饱和蒸汽压,p可由Anlnp,=25.19682(9)方程求得式中:P—饱和蒸汽压,Pa3.1模型说明7—温度,K1964年Won首先提出了以局部组成概念为基础的超额自将B-苯乙醇的饱和蒸汽压估算值与实验值作比较,如图由焓G的函数模型与活度系数方程,给出了半理论的假设,由图可看出估算值与实验值差值不大,所以可以利用以上使活度系数计算方法的研究进入了一个新阶段。Wlom建议采佔算方法来确定B-苯乙醇的饱和蒸汽压。用局部体积分率替代由 Flory和 Huggins推到的无热溶液超额自由焓方程中的总体平均体积分率,得多元体系超额自由焓的实验值Wilson模型G2x其中20000式中,A称为 Wilson参数,是无因次变量,其中A,>0≠A,而An=A2=1;(g.-g)为二元交互作用能量参数,050100150200250可以为正值或负值;V和V表示纯液体i和j的摩尔体积;x为i组元的平均摩尔分数图4估算值与实验值的比较由式(11)对x1微分可导出 Wilson方程对0-230℃温度范围内乙醇饱和蒸汽压数据进行拟合,∑A)-早Ak(16)得到乙醇的饱和蒸汽压方程为A广州化工2013年6月3.2关联结果以汽相组成绝对偏差和温度相对偏差的平方和为目标函数F,如下式:N∑[)2(17)对于本文所研究的乙醇(1)-β一苯乙醇(2)二元体系,其Wilson方程为lm=-hn(x1+A12x2)+(x+A12马2+)(18a)0.20.4Iny2=-In(=2+42x, )+4=2+42*, *1+An*(18b)本模型的两个参数A12和A21为A12=rexp[-(gu2 -gM)/RT](18c)Ap[-(g2-gn)/RT(18d)用 Wilson模型对汽液平衡数据进行关联,获得相应的模型参数分别为:A12=0.4272,A21=2.5683。最终关联得到的数据与实验所得数据如表3所示。表3乙醇B-苯乙醇汽液相平衡实验值与图5汽液平衡y-x图(a)和Txy图(b)Wilson计算值(摩尔分率由图5可看出,在y-x图上和Txy图上, Wilson模型的计T/℃Y2算值与实验值的吻合度很好0.99951.000079.2其标准误差(RMSD)计算式如下:0.98330.999979.61.000078.81.000.700.96510.999680.41.000079.31.000.700.92440.998381.50.1.00式中:exp实验值0.90490.998182.40.81.01.000.72关联值0.87800.997783.20.999981.81.000.730.85300.996784.10.999982.6L.000.73计算得到的汽液相平衡组成与实验测定值的标准误差为0.82550.996285.10.999883.60.990.740.0260.9490.990580.9988.6090.754结论0.69930.995488.30.999588.50.980.78通过实验测得的B-苯乙醇的饱和蒸汽压与温度,采用Lee0.65190.993289.60.999490.70.970.80Kesler法估算了B-苯乙醇的饱和蒸气压,并将估算结果关0.6820.995487.90.99589.00.909联得到B-苯乙醇的 Antoine方程0.66340.994889.20.999490.10.970.800.59870.993290.50.999193.40.950.82lnp.=25.196820.55430.990992.70.998896.00.940.83在常压条件下,利用沸点仪测定了B-苯乙醇与乙醇的汽0.50780.989894.80.998399.10.920.85液相平衡数据,应用 Wilson方程进行关联,获得相应的模型参0.47620.988698.20.9979101.40.910.86数分别为:A12=9.4272,A21=2.5683;得到的汽液相平衡组0.42990.9869101.20.9970105.10.890.88成与实验测定值的标准误差为0.026,计算值与实验值的吻合0.35710.9853105.60.994611220.850.91度很好。0.30740.9791110.80.9916118.30.820.930.27140.9685122.30.9880123.50.790.940.13860.8982148.30.9348·152.50.660.98参考文献0.08150.7915171.80.8197173.80.600.99[1]关昂,王航,孟春,等原位转移技术用于酵母合成2-苯乙醇[J]0.02450.3636204.80.3995203.40.521.00过程工程学报,2009,9(1):129-1320.00050.0105215.50.0099217.20.491.00[2]翟红,解海.B-苯乙醇合成工艺的研究[].山西大同大学学报自然科学版,2009,25(5):38-40根据表3数据作汽液平衡图,如图5。[3]张勃,郝佳,汽液相平衡测定的研究进展[J].河南化工[J]2008,25(2):12-15[4]卢焕章.石油化工基础数据手册[M].北京:化学工业出版社,1984:1,9495[5]陈新志.化工热力学[M].北京:化学工业出版社,2009:85-87