正庚烷-苯酚-环丁砜体系液液相平衡的测定

曾娓，周美婷，王维，时米东

（湘南学院 化学生物与环境工程学院，湖南郴州 423000）

中低温煤焦油是煤焦化过程的重要副产品，含有较多的含氧化合物和链状物，其中酚及其衍生物含量达25%以上[1]，烷状烃约为20%。酚类化合物的存在影响油品的安定性，不利于油品的存储、运输[2]。中低温煤焦油中含酚类物质会增加后续过程的氢耗量，使生产成本增加，使用价值降低。脱低级酚馏分是加氢制高十六烷值柴油的优良原料[3]。另外，酚类化合物是一种高附加值产品，在纤维、农药、塑料、医药和染料行业均有重要用途。中低温煤焦油可经加氢生产柴油、汽油等车用燃料和化学品[4-5]，但是酚类物质被加氢饱和会造成损失，因此开发从中低温煤焦油中回收酚类物质的技术，对化工产品的生产有着重要意义[6-7]。

本研究采用萃取法分离中低温煤焦油中酚类物质，研究以正庚烷和苯酚为模型化合物时，环丁砜的萃取效果。在温度为308.15 K、318.15 K，压力为101.325 kPa条件下，测定正庚烷-苯酚-环丁砜体系的相平衡数据，绘制三元相图；根据实验数据计算分配系数和选择性，分析萃取剂的分离效果；通过Hand方程验证实验数据的可靠性，为研究煤焦油中酚类化合物的分离提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

正庚烷、环丁砜，分析纯，w≥0.995 0，北京化工厂；苯酚，分析纯，w≥0.995 0，天津光复精细化工研究所；去离子水为自制。

平衡釜，自制；DC-2015恒温水浴槽，常州市瑞华仪器制造有限公司；GC2020气相色谱，滕州中科普分析仪器有限公司。

1.2 实验步骤

平衡釜中加入一定浓度的正庚烷、苯酚和环丁砜，固定后剧烈搅拌3 h；搅拌过程中使用恒温水浴槽加热并维持实验温度；搅拌结束后静置12 h，用微量进样器分别从上、下层采样，气相色谱分析样品组成。

色谱条件：氢离子火焰检测器；HP-5毛细管色谱柱（30.0 m×0.32 mm×0.25 μm）；检测器温度250 ℃；进料温度200 ℃。柱温程序：50 ℃维持3 min，然后从50 ℃升到160 ℃，升温速率为20 ℃/min。每个样品至少测3次，取平均值作为测量值。通过改变混合物中苯酚的量改变体系组成，测定一系列的液液相平衡数据。

1.3 一致性分析

采用公式1的Hand方程[8-9]验证正庚烷-苯酚-环丁砜体系实验数据的可靠性。式中，x2Ⅱ、x3Ⅱ分别是下层相苯酚和萃取剂的组成，x1Ⅰ、x2Ⅰ分别表示上层相正庚烷和苯酚的组成；a、b为方程常数。

1.4 分配系数和选择性

用分配系数和选择性评价环丁砜的萃取能力。溶质的分配系数D为正庚烷相和环丁砜相中苯酚的组成之比，选择性S为苯酚的分配系数与正庚烷的分配系数之比，计算方法如式2和式3所示。式中，x2Ⅱ、x1Ⅱ分别是下层相苯酚和正庚烷的组成；x2Ⅰ、x1Ⅰ分别是上层相苯酚和正庚烷的组成。

2 结果与分析

2.1 三元液液相平衡数据

在温度为308.15 K、318.15 K，压力为101.325 kPa条件下，测定正庚烷-苯酚-环丁砜体系的液液相平衡数据，结果如表1所示。用摩尔分数表示组分组成，随着体系中苯酚量的增加，正庚烷相中正庚烷的量减少，环丁砜的量增大，但是正庚烷减少更多；环丁砜相中正庚烷增加，环丁砜减少；另外，环丁砜相中苯酚含量高于正庚烷相，说明苯酚主要向环丁砜相转移，苯酚在环丁砜中具有较好的溶解性。

2.2 液液相平衡体系的三元相图

308.15 K和318.15 K温度下正庚烷-苯酚-环丁砜体系的三元相图如图1所示。相图右边相点表示正庚烷相组成，左边相点表示环丁砜相组成。随着体系中苯酚含量的增加，相点逐渐向环丁砜零组成点转移，说明体系中环丁砜组成逐渐降低。两层相点比较发现，下层相相点更靠近相图边线，说明环丁砜相中正庚烷组成较小。比较两温度下的非共溶区域，发现非共溶区域变化不明显，说明温度对体系的影响可以忽略。另外，正庚烷-苯酚-环丁砜体系非共溶区面积较大，说明环丁砜对苯酚的分离萃取具有较大的操作范围。

表1 正庚烷-苯酚-环丁砜体系在不同温度下的相平衡数据

图1 正庚烷-苯酚-环丁砜体系三元相图

2.3 一致性分析

Hand方程的线性关系如图2所示，线性相关度R2和方程常数如表2所示。可以看出，R2值在0.93以上，说明实验数据具有良好的可靠性。

图2 正庚烷-苯酚-环丁砜的Hand方程曲线

表2 Hand方程的一致性校验结果

2.4 分配系数和选择性

D和S随环丁砜相苯酚含量的变化关系如图3所示。可以看出，随着苯酚浓度的增加，分配系数和选择性有降低的趋势；318.15 K下的分配系数略大于308.15 K下的分配系数，而选择性大小接近。另外，分配系数和选择性均大于1，说明可以用环丁砜萃取分离正庚烷和苯酚。

图3 溶质分配系数及溶质选择性与苯酚的摩尔分数关系图

3 结论

在温度为308.15 K、318.15 K，压力为101.325 kPa条件下，测定了正庚烷-苯酚-环丁砜体系的液液相平衡数据。结果表明，环丁砜具有良好的萃取性能；Hand方程对数据的可靠性分析表明，液液相平衡数据具有良好的可靠性。正庚烷-苯酚-环丁砜体系液液相平衡数据的测定，为煤焦油中酚类物质的分离提供了热力学基础数据。