苯-烯烃-N-甲基吡咯烷酮汽液平衡的研究

第21卷第6期高校化学工程学摄No.6 Vol.212007年12月Joumal of Chemical Engineering of Chinese UniversitiesDec._ 2007文章编号: 1003-9015(2007)06-0914-05苯烯烃~N_甲基吡咯烷酮汽液平衡的研究李继良，曾爱武， 袁希钢，余国琮(天津大学化工学院化学工程联合国家重点实验室，天津 30072)摘要; N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为优良的萃取剂，广泛地被用于芳烃的抽提中，但其与苯及CoC。烯烃之间的汽液平衡葛础数据却极为贫乏。采用CE-2型汽液平衡数据测定仪,测定了常压下苯-1-己烯-NMP、苯-小.庾烯~NMP、苯小辛晞NMP三组三元汽液平衡数据;对三组三元体系，分别以实测数据用Wilson. NRTL和UNIQUAC模型进行了关联，所得三元体系汽相组成计算值和实测值的平均偏差均较小(分别小于0.00839, 0026和0.00802). 研究结果补充了苯.烯烃N甲基吡咯烷酮的三元汽液平衡数据，为实际工程应用提供了基础数据。关键词: N-甲 基吡咯烷酮NMP);苯;烯烃:汽液平衡(VLE)中图分类号: 0642.42文献标识码: AStudy on Vapor-Liquid Equilibrium for.Benzene+Alkene+N-Methyl-2-Prolindone SystemsLI Ji-liang, ZENG Ai-wu, YUAN Xi-gang, YU Guo-cong(State Key Laboratory of Chemical Engineering, Collcge of Chemical Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072)Abstract: As an excellent solvent, N-methyl-2-prolindone (NMP) is widely used for refining benzene byextractive disilation. Since the necessary basic VLE data of benzene- alkenes-NMP systerms are scarce, in thisstudy, the vapor-liquid equilibrium data were determined at normal pressure for the three ternary systems ofbenzene-1-hexene-NMP, benzene-l-heptene-NMP and benzene-1-octene-NMP by using the CE-2 vapor liquidequlibrium sill. The data obtained were correlated respectively with Wilson, NRTL and UNIQUAC models.Using those models, the average deviations of vapor compositions between the experimental and predicted forthose ternary systems are about 0.00839, 0.00926 and 0.00802, respectively. The results given complement thelack of the VLE data of benzene- alkenes-NMP systems and are significant for the refining the coking benzeneby extractive distillation with NMP as solvent.Key words: N-methyl-2-prolindone (NMP); benzene; alkene; vapor-liquid equilibrium (VLE)1前言众所周知，苯是一种重要的有机化工原料，其主要来源之一是焦化粗苯。 焦化粗苯组成较为复杂，除含有苯、甲苯、二甲苯(简称三苯)等主要目的产物外，尚含多种杂质(如各种烷烃与烯烃)。目前，焦化苯精制的方法主要有两种1.21:硫酸洗涤精制工艺和加氢工艺。酸洗工艺较为成熟，但其致命的缺点是环境污染严重，且得不到高纯度的产品:加氢工艺的缺点是工艺技术复杂，设备投资大，加工成本高。因此，开发一种既可除去轻苯中的烷烃、婼烃类杂质，又可以保护环境且工艺流程简单的新工艺是+分必要的。萃取精馏由于其流程简单等特点越来越得到人们的关注.其中N-甲基吡咯烷酮(简称NMP)作为萃取剂时的一一个突出优点是无毒无害，并能很容易地进行生化处理，在环境污染日益严重的今天，其优越收稿日期: 2005-09-13: 惨订日期: 2006-02-10.基金项目国家科技攻关项目(2004BA3I5C).作者简介:李继良(1979). 男. 辽宁丹东人，天津大学硬士生。通讯联系人,曾爱武E-ml: wzeng@vu educn916高校化学工程学搌2007年12月3实验体系汽液平衡测定本实验用上述汽液平衡装置及分析方法，测定了常压下的苯(1)-1-己烯(2)-NMP(3)、苯(1)-1-庚烯(2)-NMP(3)、苯(1)-1-辛烯(2)-NMP(3)三组三 元汽液平衡数据，测定实验数据见表2~表4.裹3苯(1)-1-庚烯(2)-NMP(3)三元汽液平衡数据(101.3 kPa)表4苯()-1-辛烯()-NMP(3)三元汽液平衡数据(101.3 kPa)Table3 Experimental ternary VLE data of benzene(1)Table4 Experimental ternary VLE data of-1-beptene (2) -NMIP(3) system(101.3 kPa)benzene(1)-1-octene (2)-NMP(3) system(101.3 kPa)I/C1/C)82.91 0.56278 0.06114 0.91421 0.0786280.92 0.88652 0.06052 0.94502 0.0480983.05 0.85528 0.10407 0.92901 0.0504681.93 0.52057 0.08254 0.88413 0.0959584.09 0.780 0.09188 088271 0.1081283.66 0.41910 0.09710 0.84985 0.1415884.32 0.09282. 0.31493 0.17092 0.8157684.33 0.40544 0.04073 0.90659 0.0795685.18 0.77799 0.18362 0.86716 0.1131587.890.28995 0.18445 0.71734 0.2653885.270.77434 0.08763 0 890070.1069489.630.25808 0.26572 0.65734 0.3302887.190.769510.079350.941710.0395790.99.0.17) 0.78984 0.1814387.460.75724 0.10041 0.93659 0.0477991.870.65856 0.04217 0.939990.0539087.81 0.54620 0.30181 0.70249 0.2863292.770.53157 0.25275 0.73542 02277489.76 0.13965 0.15684 0.35165 0.6309494.71 0.48744 0.07674 0.81558 0.1350290.48 0.29694 0.43669 0.41571 0.572271296.520.40184 0.26815 0.67198 0.3163390.61 0.30425 0.10845 0.62972 0.3480696.820.30547 0.31421 0.55711 0.3822590.92 0.36830.07552 0.75608 0.2189997.720.34639 0.02843 0.86883 0.0857791.220.638030.24418 0.824590.158631498.170.26660 0.06487 0.75038 0.2141891.610.127620.39204 0.21003 0.7760198.480.28026 0.03218 0.82813 0.1194992.270.03668 0.15026 0.12553 0.8494598.620.132740.47068 0.43108 0.5456593.01 0.18450 0.09615 0.53547 0.4472299.280.11489 0.27726 0.42539 0.548896.38 0.28909 0.06265 0.86106 0.09886100.75 0.22127 0.03368 0.84078 0.131541596.52 0.21820 0.56594 0.17621 0.78649101.69 0.22555 0.02270 0.87282 0.094722(97.09 0.12362 0.08623 0.62788 03332101.98 0.11854 0.13748 0.49307 0.4612897.98 0.160180.31524 0.25134 0.71198102.35 0.20259 0.43985 0.43723 0.5319898.03.0.093320.12175 0.43046 0.53981_ 22103.63 0.17491 0.51730 0.38172 0.57085_4相平衡数据的关联当温度、压力- -定，汽液两相达到平衡时，两相中各组分的分逸度相等，即由于体系处在常压下，可采用下式计算:Py =y,xPp'苯烯烃_NMP为非理想体系，在液相中NMP对苯和烯烃的分子作用力不同，使得在NMP分子周围出现苯和烯烃分子的几率不同，因此在某个分子周围的局部范围内，其组成和总体组成会不同，故为了获得全浓度范围内的活度系数与组成的关系，本研究选用以局部摩尔分数概念为基础的Wilson模型!10、NRTL模型!"和UNIQUAC模型2]进行关联，使用下列目标函数优化:F= 2i(2ovwm)DXwmy"](N,-N)同岗由实验数据关联的三种模型参数见表5~表7,对NRTL模型ay 有序参数取0.3, UNIQUAC模型中苯和烯烃组分的体积参数r, 和面积参数qi 取自文献[13], NMP的相应参数取自文献[9].所得三元体系汽相组成实测值和计算值的平均偏差比较见表8。表5三元体系Wison模型相互作用参数Table 5 Interaction parameters of W ilson mode! for the ternary systemsSystemWilson model. ，w(1,3)w(3.1) .w(2,3)3.2)2)-NMP(3)-1660.07466.33-1072.88-733.04Benzene(1)-1-heptene (2) -NMP(3)-1103.98417.32-733.51-3255.68Benzene(1)-1-0ctene (2) -NMP(3)-1594.66791.33-101.68-264.07第21卷第6期李继良等:苯.烯烃=N_甲 基吡咯烷酮汽液平衡的研究917 ，表6三元体系NRTL模型相互作用参数Table 6 Interactlon parameters of NRTL model for the ternary systemsNRTL modelSystcm_8(1,3)8(3.1)8(3.2)-1024.021935.99832.94Benzene(1) -.1-beptene (2) _NMP(3)-1162 80 .1360.492477.32673.78.Benzene(1)-1-0ctene (2) NMP(3)-1139.021689.991539. 83603.07表7三元体系UNIQUAC模型相互作用参数Table 7 Interaetion parameters of UNIQUAC model for the ternary systemsUNIQUAC modelSystem(1.3)(3.1)2(2,3)(3,2)500.65-1002.65-148.55177.99Benzene(1) -1l-beptene (2) -NMP(3)547.67-1014.23-697.0138.76Benzene(U)-1-octene (2) _NMP(3)424.99-747.97-659.8684.98表8三元体系汽相组成实测值与计算值平均偏差Table 8_ Average deviations between experimental and predicted vapor compositions for the ternary systemsModeldu咖Benzene(1)-Wilson0.130.005420.001511-hexene (2)-NRTL0.170.005940.008170.00225NMP(3)_UNIQUAC0.190.008020.005830.00231Wlson0.120.006640.004860.003551-beptene (2)-0.200.008750.005540.00393NMP3)__0.006430.004790.004070.110.002260.005980.0039I-octene (2)-0.16002680.006590.00926NMP(3)0.15.0.004960.007830.00731where: =2Ex.am-DYcap)VN,由表8可见，三元体系用实测数据分别关联三种模型时，所得三元体系汽相组成计算值和实测值的平均偏差均较小，可以满足工程设计的需要。具体来说， 对于苯(1)-1-己烯(2) -NMP(3)体系与苯(1)-1辛烯(2) -NMP(3)体系，用Wilson方 程关联结果较好于NRTL方程、UNIQUAC方程关联结果，汽相组成的计算值和实测值的平均偏差小于0.00839，说明Wilson方程关联结果与实测结果吻合较好:对于苯(1)-1-庚烯(2)-NMP(3)体系用UNIQUAC方程关联结果铰好于Wilson方程、NRTL方程关联结果，汽相组成的计算值和实测值的平均偏差小于0.00407，说明UNIQUAC方程关联结果与实测结果吻合较好。虽然选用Wilson,NRTL和UNIQUAC模型对三个三元体系的实测汽液平衡实验数据进行关联，所得三元体系汽相组成计算值和实测值的平均偏差均较小，但从总体关联结果来看，对于苯~烯烃-NMP体系用Wilson方程关联结果要好于NRTL方程、UNIQUAC方程关联结果。图2-图4分别是根据实验数据关联得到的常压下苯烯烃-NMP体系的等温变化曲线。P= 101.3 kPap= 101.3KPa，108C/sc94C103C78C88C94'CXXXXXXXXY0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.60.7 0.8 0.90.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9Molefrac benzene图2苯-1-己烯~NMP三元体系围3苯-1.庚烯:NMP 三元体系围4苯1.辛婚~NMP三元体系等温曲线(101.3 kPa)Fig2 Isothemals forFig3 Isotbemnals forfig4 Isotbermals forbenzene-1-bexene-NMP(101.3 kPa)benene-1-heplene NMP(101.3 kPa)benzene-1-octene-NMP(101.3 kPa)高校化学工程学报2007年12月5结论(1)用CE-2型气液平衡测定仪，测定了常压下苯-1-己烯NMP、苯-1.庚烯-NMP、苯1.辛烯NMP三组三元汽液平衡数据，补充了苯~烯烃-N-甲基吡咯烷酮的三元汽液平衡数据●(2)选用Wilson. NRTL和UNIQUAC模型对三个三元体系的实测汽液平衡实验数据进行了关联，所得三元体系汽相组成计算值和实测值的平均偏差均较小，可满足NMP萃取精馏法焦化苯精制新工艺的设计需要。(3)通过对所得的计算值和实测值的平均偏差比较，对于苯(1)-1-己烯(2)-NMP(3)体系与苯(1)-1-辛烯(2) -NMP(3)体系，用Wilson方程关联结果与实测结果吻合较好:对于苯(1)-1-庚烯(2)-MP(3)体系，用UNIQUAC方程关联结果与实测结果吻合较好。但从总体关联结果来看,对于苯烯烃_NMP体系用Wison方程关联结果要好于NRTL方程、UNIQUAC方程关联结果。符号说明:- 偏差(1) -UNQUAC 模型组分间的相互作用参数，J.mol'-目标函敫w(J) - - Wilson模型组分间的相互作用参数，J.mol-'-潍分在汽相中的分逸度一液相摩尔分率j-组分在液相中的分逸度- -气相摩尔分窜g(J)-NRTL 模型组分间的相互作用参数，J-molr'- .活度系数一组分敷下标一实验点al.-计算值- 1组分饱和蒸汽压，Paxp 一实测值-溫度，C-组分参考文献:{1] RUAN Xiang-quan(阮湘泉), LIU Jin-q(刘家琪), GUO Chong:tao(郭崇涛) Separation of thiophene from benzene by extractivedilltio(萃取精馏法苯中噻吩的分离) [J]. Coal Chemical Industry(煤化工), 1989, 18(1): 48-53.2] ZHAO Wei-peng(赵维彭), ZHENG Ying-e(郑英峨). Separation of thiophene fom benzene by extractive dsillation in coking byproduct plant(用萃取蒸馏分离焦化苯中的噻吩) [n. Fuel and Chemical Procse(燃料与化工) 1989, 20(4): 31-36.[3] LEI Zhi-gang(雷志刚)，ZHOU Rong-qi(周荣琪), DUAN Zhan-ing(段占庭). 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