二硝基萘异构体溶剂结晶分离过程的相平衡热力学研究

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1,5-二硝基萘和1,8-二硝基萘是合成染料、颜料、医药、农药、感光材料以及高级聚氨酯的重要中间体,特别是聚氨酯材料在国内外的大量使用,导致1,5-二硝基萘市场需求量逐年增加。因此该产品具有广阔的市场前景。目前工业上混酸硝化萘时都不可避免的同时产生1,5-二硝基萘和1,8-二硝基萘异构体,溶剂结晶是1,5和1,8-二硝基萘分离的有效方法,但是此方法需要有比较全面准确的溶解度数据。以等温溶解平衡法测定了压力在101.1kPa,温度在273.15K-343.15K范围内1,5-二硝基萘在甲醇、乙醇、正丙醇、乙腈、氯仿、丙酮、甲苯、乙苯、乙酸乙酯、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)以及1,8-二硝基萘在甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙腈、氯仿、丙酮、甲苯、乙酸乙酯、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N-二甲基甲酰胺(DMF)中的溶解度。在同一温度下,1,5-二硝基萘在不同溶剂中的溶解度大小顺序为:NMP>DMF>(氯仿,丙酮,甲苯,乙苯,乙酸乙酯)>乙腈>正丙醇>乙醇>甲醇;1,8-二硝基萘在不同溶剂中的溶解度大小顺序为:NMP>DMF>丙酮>(乙腈,乙酸乙酯)>氯仿>甲苯>甲醇>乙醇>异丙醇>正丁醇。采用λh方程、Apelblat方程、Wilson方程和NRTL方程对溶解度数据进行了关联,平均相对偏差(RAD)值均小于4.46%,均方根偏差(RMSD)值均小于37.90× 10-4,并采用Wilson模型计算了溶液的混合性质(混合吉布斯能、混合焓、混合熵、无限稀释活度系数无限稀释超额焓)。以等温溶解平衡法测定了压力在101.1kPa,温度在273.15K-343.15K范围内1,5和1,8-二硝基萘在(乙腈+甲醇)、(丙酮+甲醇)和(甲苯+甲醇)三组混合溶剂中的溶解度数据,在(乙腈+甲醇)和(丙酮+甲醇)混合溶液中,随着温度升高以及乙腈或丙酮含量的增加,1,5-二硝基萘和1,8-二硝基萘的溶解度增大。而在(甲苯+甲醇)混合体系中,同一温度下,1,5-二硝基萘和1,8-二硝基萘的溶解度随着甲苯质量分数增加出现先增大后减小的趋势。并用 Jouyban-Acree 模型、van’tHoff-Acree 模型、Apelblat-Acree 模型和 Sun 模型对实验结果进行了关联,平均相对偏差(RAD)最大值不超过4.55%,均方根偏差(RMSD)最大值不超过6.03×10-4,计算结果与实验结果吻合较好。同时得到了 1,5和1,8-二硝基萘在这三种混合溶剂中的优先溶剂化参数,当丙酮含量为0~0.40和乙腈含量为0~0.35,δ X1,3的值为负,说明在1,5-二硝基萘或1,8-二硝基萘分子被丙酮或乙腈溶剂化。而当丙酮含量为0.40~1和乙腈含量为0.35~1时,δX1,3的值正,说明1,5-二硝基萘或1,8-二硝基萘分子被甲醇溶剂化。而对于甲苯+甲醇体系,当向甲苯中加入甲醇时,1,5-二硝基萘或1,8-二硝基萘分子首先被甲苯溶剂化。采用湿渣法测定了 313.15K、328.15K和343.15K三个温度下1,5-二硝基萘-1,8-二硝基萘-N-甲基吡咯烷酮(NMP)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)三元体系的相平衡数据,并绘制了相应的三元体系相图。1,5和1,8-二硝基萘的共同结晶区随温度升高而变小,在同一温度条件下,1,5-二硝基萘的结晶区比1,8-二硝基萘的结晶区大。采用NRTL模型和Wilson模型对三元数据进行了关联,结果表明两个模型的计算值与实验值之间的偏差较小,二者的最大均方根偏差(RMSD值)分别为7.38×10-3和7.26×10-3,说明Wilson模型和NRTL模型均能很好地关联1,5-二硝基萘-1,8-二硝基萘-N-甲基吡咯烷酮(NMP)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)三元体系。
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