水-丙烯酸-甲基異丁基甲酮三元體系液液平衡數(shù)據(jù)的測定

張 雷，張宏勛，李 晨

(河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州45001)

0 引言

丙烯酸及其酯類系列單體是現(xiàn)代有機化工中重要的基礎(chǔ)原料和最具吸引力的高分子單體［1-3］.丙烯酸的生產(chǎn)方法有很多種，如氯乙醇法、高壓Reppe法、烯酮法、甲醛-乙酸法、丙烯腈法、環(huán)氧乙烷法和丙烯氧化法等，但目前世界上所有大型丙烯酸生產(chǎn)裝置均采用丙烯氧化法生產(chǎn)［4-5］.該法一般步驟為：丙烯催化氧化生成丙烯酸，同時產(chǎn)生醋酸等雜質(zhì);反應(yīng)氣經(jīng)水吸收得到丙烯酸水溶液;經(jīng)精制脫除水和醋酸等雜質(zhì)得到丙烯酸產(chǎn)品.精制方法多采用非均相共沸精餾法或萃取聯(lián)合非均相共沸精餾法.該法關(guān)鍵是溶劑的選擇，選擇何種溶劑在很大程度上決定了裝置的經(jīng)濟(jì)性［6-8］.

甲基異丁基甲酮(MIBK)是一種中沸點溶劑，作為萃取劑，與水的互溶度很小;同時與水能形成共沸物，常壓共沸溫度為87.9℃，共沸組成含水24.3%，因而作為共沸劑帶水能力強，而且其泡點汽化潛熱較小，具有節(jié)能潛力.水—丙烯酸—MIBK體系的液液平衡數(shù)據(jù)未見報道，筆者分別測定了20，30，40℃下上述體系的液液平衡數(shù)據(jù)，可望為工業(yè)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

GC122型氣相色譜(上海精密科學(xué)儀器有限公司);N3000色譜工作站;液液平衡釜;CS501A型恒溫槽;AUY220型電子分析天平(日本島津公司).

丙烯酸、甲基異丁基甲酮(MIBK)均為分析純(上?；ぴ噭┯邢薰?，二次蒸餾水(實驗室自制).

1.2 實驗步驟及分析方法

上述體系的液液平衡是在容積約為60 mL的液液平衡釜內(nèi)進(jìn)行測定.實驗體系溫度由CS501A型恒溫槽提供水浴并控制溫度.實驗時，按一定比例配好50 mL左右的水、丙烯酸、MIBK的混合液置于液液平衡釜中，混合液于釜中由磁力攪拌器攪拌2 h，以使其充分混合，然后靜置4 h，使其充分分層.

用微型注射器分別從兩相相應(yīng)取樣口取樣，通過氣相色譜儀(GCl22型)分別測定上層液和下層液中各組分的含量.色譜條件：GDX-103不銹鋼填充柱(2 m×3 mm i.d.);色譜柱溫210℃，進(jìn)樣器和檢測器溫度均為240℃;載氣為氫氣，載氣流量為56 mL/min.使用N3000色譜工作站外標(biāo)法采集數(shù)據(jù).

2 結(jié)果及討論

表1列出了3種溫度下水-丙烯酸-MIBK體系的液液平衡數(shù)據(jù).實驗體系在不同溫度下的液液平衡相圖如圖1所示.從圖1可以看出，溫度對水-丙烯酸-MIBK體系的兩相區(qū)面積影響很小.

表1 不同溫度下水(1)-丙烯酸(2)-MIBK(3)體系的液液平衡數(shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 LLE data for the ternary system of water(1)-acrylic acid(2)-MIBK(3)at different temperatures

為了檢驗實驗數(shù)據(jù)的可靠性，可以用Othmer-Tobias或Bachman方程對各相應(yīng)節(jié)點實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)［8］.Othmer-Tobias與 Bachman方程式如下：

不同溫度下實驗數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)結(jié)果見表2，線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，標(biāo)準(zhǔn)偏差SD不大于0.111 8，可以看出，實驗溫度下的各節(jié)點實驗數(shù)據(jù)線性關(guān)系較好，實驗數(shù)據(jù)是可靠的.

圖1 不同溫度下水(1)-丙烯酸(2)-MIBK(3)體系的液液平衡相圖Fig.1 LLE phase diagram for water-acrylic acid-MIBK system at different temperatures

為了考察MIBK對丙烯酸和水的萃取分離能力，分別計算了實驗溫度下的分配系數(shù)D和分離因子S，D與S的定義如下：

式中：i表示組分;w表示質(zhì)量分?jǐn)?shù);Ⅰ、Ⅱ分別表示溶劑相和水相.

由表3可以看出，以MIBK為溶劑萃取丙烯酸和水的混合物可以獲得較高的分離因子(各實驗溫度下的分離因子平均值均大于25);對該體系20℃時的分離因子較30℃和40℃時都大，說明低溫有利于萃取分離.

3 結(jié)論

實驗獲得并比較了水-丙烯酸-MIBK三元體系在20，30，40℃下的液液平衡數(shù)據(jù)，溫度在考察的范圍內(nèi)對實驗體系的兩相區(qū)面積影響很小.利用Othmer-Tobias和Bachman方程對各液平衡相應(yīng)節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行了可靠性檢驗，結(jié)果表明實驗數(shù)據(jù)是可靠的.MIBK是分離丙烯酸和水混合液的良好的萃取劑，溫度較低時分離因子較大.

表2 Othmer－Tobias與Bachman方程關(guān)聯(lián)結(jié)果Tab.2 Constants of the Othmer－Tobias and Bachman equation

表3 水(1)-丙烯酸(2)-MIBK(3)三元體系的分配系數(shù)與分離因子Tab.3 Distribution coeficients(D)and separation factors(S)of water(1)-acrylic acid(2)-MIBK(3)system at different temperatures

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