N-乙基哌嗪和醇二元溶液的粘度性质研究【毕业设计+开题报告+文献综述】.doc

1、 本科 毕业设计 （ 20 届） N-乙基哌嗪和醇二元溶液的粘度性质研究 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 用乌氏粘度计分别测定了甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和异丁醇与 N-乙基哌嗪组成的六个二元体系在 293.15K、 298.15K、 303.15K 下的运动粘度。结合密度数据计算动力粘度和过量粘度，从分子相互作用角度讨论了这些二元溶液粘度性质的变化规律，为 N-乙基哌嗪的开发和含 N-乙基哌嗪的二元体系的粘度性质研究提供基础数据和信息。 关键词 : N-乙基哌嗪；醇；粘度；测定；计算 II Abstract: Kin

2、ematic viscosities for binary mixtures of N-ethylpiperazine with alcohols,including methanol,ethanol,1-propanol,iso-propanol,1-butanol and iso-butanol,were measured at 293.15K,298.15K and 303.15K with pins viscometer.On the basis of these data along with the data of densities,the dynam -ic viscositi

3、es and excess viscosities can be calculated.The regularity for the changes of viscosity proper -ties against the composition was discussed from the point of view of molecular interaction.Fundamental data and important information can be presented from this work for further study about N-ethyl pipera

4、zine and for the viscosity research of N-ethylpiperazine. Keywords: :N-ethylpiperazine; Alcohol; Viscosity; Measurement; calculate 目 录 摘要 Abstract 1 绪论（ 1） 1.1 论文选题的背景 及 意义 （ 1）1.2 哌嗪的几种合成方法 （ 2） 1.3 N-乙基哌嗪的物理性质 （ 2） 1.4 N-乙基哌嗪的合成 （ 2） 1.5 哌嗪相关体系热力学性质研究概况 （ 3） 2 实验部分 （ 5） 2.1 基本原理 （ 5） 2.1.1 纯物质的动力粘

5、度 （ 5）2.1.2 粘度计常数的测定 （ 5） 2.1.3 动力粘度与过量动力粘度的计算方法 （ 5） 2.2 实验方法 （ 6） 2.2.1 主要实验仪器 （ 6）2.2.2 毛细管法的原理 （ 6） 2.2.3 实验步骤 （ 7） 2.3 实验数据 （ 8） 2.3.1 粘度计常数的测定 （ 8） 2.3.2 运动粘度的测定 （ 8） 2.3.3 计算动力粘度与过量动力粘度（ 11） 3 结果与分析（ 18） 3.1 结果 （ 18） 3.2 讨论 （ 18） 4 结论 （ 20） 参考文献 （ 21） 致谢 （ 22） 1 1 绪论 1.1 论文选题的背景和意义 化工过程除了与物质的

6、化学性质以外，与物质的物理性质也息息相关。研究热力学性质及其相互关系是分离设计、优化和操作中不可缺少的基础工作 16。 溶液热力学作为化工热力学的重要研究方向之一，在工程上应用十分广泛。由于该分支学科和扩散分离过程、流体的物性学有着重要的联系，所以它遍及化工、冶金、能源、资源利用和材料等各个重要领 域 3。 热力学性质能解决的实际问 题可以归结为三类： (1) 过程进行的可行性分析和能量有效利用；(2) 平衡问题，特别是相平衡； (3) 平衡状态下的热力学性质计算。流体的热力学性质随着温度、压力、相态、组成等而变化 16。 超额性质是真实溶液与理想溶液的摩尔性质之差，也称过量性质。 过量热力学

7、的研究不仅有助于阐明溶液的结构，检验并改进溶液理论，对于化工生产过程的开发和设计也提供了重要的热力学基础数据。它可以为计算多组分混合物的性质提供关键的数据。用提供的实验数据可以估算不同类型分子间的相互作用，使宏观的热力学性质和微观的分子间力、分子的大小 等联系起来 17。随着科技的进步，新物质的不断研发成功，需要相应的物性数据、溶液过量性质数据，以便其更好的开发研究。 本论文测定 N-乙基哌嗪和醇的二元体系的一系列粘度性质，以期更好地了解和研究其热力学性质。 N-乙基哌嗪是哌嗪系列产品之一 ,作为医药中间体及精细化学品在制药与有机合成中获得应用。主要用途是合成蒽氟沙星、合成染料及植物保护剂的原

8、料 【 2】 。 N -乙基哌嗪、 N ,N -二甲基哌嗪等烷基哌嗪具有独特的生物活性 , 不仅是良好的医药中间体 , 也可以作为生化模型分子。因此它的合成，物性研究和工艺开发都引 起人们的重视。由于哌嗪系列产品是一类新产品 ,许多基本的物性数据都很缺乏 ,给深入的研究和工程设计带来不便 【 3】 。 N-乙基哌嗪具有独特的结构和生物活性 , 它可以作为生化模型分子 , 它环上的氮原子与金属表面键合 , 有效地抑制金属在水或醇溶液中的腐蚀。 N-乙基哌嗪易与水、醇类等溶剂互溶 , 研究它与水、醇类组成的体系的粘度性质、相平衡性质对于深入了解 N-乙基哌嗪的热力学特征以及上述相关的开发研究都有理

9、论意义和实用价值。 对液体粘度的研究在流体力学，化学化工，医疗，水利等领域都有广泛的应用。 溶液的粘度是化工计算和化工 设计经常用到的基本参数，是溶液重要的传递属性之一，并且与溶液的热力学性质存在着内在的联系 。 研究溶液热力学性质和传递性质的关联，实现二者的相互推算，是人们感兴趣的理论问题，也有着重要的实际意义 19。粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域2 中都具有重要意义，特别是在石油化工、医药、冶金、食品等行业中 20。在基础研究中，粘度的测定也占有非常重要的地位。如研究胶体稀溶液的粘度可以帮助了解质点的大小与形状、质点与介质间的相互作用等 21。 1.2 哌嗪的几种合成方法 (1

10、)乙醇胺裂解闭环 乙醇胺裂解闭环 是国内传统的六水哌嗪（含量 40%-44%）生产方法。其工艺路线是：先由环氧乙烷与过量氨反应得到乙醇胺，然后用盐酸中和并酸化到 PH值 2-3，所得乙醇胺盐浓缩后，以石蜡油作溶剂进行环合反应，得到的反应混合物经蒸馏 ,冷却后析出六水哌嗪结晶，甩滤得六水哌嗪。该工艺的特点是工艺简单，投资少，但原材料消耗高，收率低，成本高，副产物多，设备腐蚀严重 3。 (2) 乙烯合成法 乙烯合成生产工艺是目前世界上最先进的工艺路线之一。该方法是由乙烯合成乙二胺、乙醇胺、副产哌嗪，哌嗪约占总产量的 5%。该法收率高，污染小，成本低，产 品质量好，但一次性投资大，必须与大型石油化工

11、装置配套。 (3) 乙二胺直接环合 该法采用 Pentasil H 型沸石催化剂，与乙二胺接触，反应温度为 330 ，反应压力 0.3Mpa，其相应产物哌嗪收率为 57%。该工艺收率不高，并且反应温度过高。此法发展前景广阔，但工艺本身尚待完善 4。 1.3 N-乙基哌嗪的物理性质 N-乙基哌嗪 子式 C6H14N2,， 分子量 114.19，熔点 -60，沸点 157，闪点 47，相对密度 0.895，折光率 1.468-1.47， 常温下为 无色透明液体，有强烈胺味，在高温下易氧化 而变色，易溶于水、醇类等溶剂。 研究它与水、醇类组成体系的体积性质、平衡性质、粘度性质、表面张力性质对于深入了

12、解 N-乙基哌嗪的热学特征以及上述相关的开发研究都有重要的理论意和实用价值 3 5。 1.4 N-乙基哌嗪的合成 N-乙基哌嗪用途广泛，世界上很多国家都对 N-乙基哌嗪的合成工艺进行了大量的研究工作，3 开发了一系列 N-乙基哌嗪的合成路线，并进行了大规模的工业化生产。目前国内 N-乙基哌嗪的需求量较大，对其合成研究也异常活跃。 N-乙基哌嗪的合成按起始原料的不同可分为两大类 :一类以哌嗪为原料 ,哌嗪与烷化剂如卤 代烷、醇、酯、醛 -甲酸结合体等进行烷基化反应 ,烷化反应能力与烷化剂的选择、反应条件密切有关。取代烷基化是应用最广泛的烷基化工艺。由于哌嗪的氮原子烷基化后很容易生成 N,N -双

13、取代化合物 ,为此曾提出哌嗪与酰氯烷、卤代烷的分步反应 ,以获得单烷基反应物。例如 ,用乙基甲酰氯与哌嗪的一个 N原子反应 ,而另一个 N 原子与卤代烷反应。然后水解可以制取单烷基哌 【 2】 。反应式为 : 上述方法的缺点是反应步骤多 ,给工艺控制、三废处理增加难度。另一类是以二乙醇胺为原料 ,与氨、氢在一定的工艺条件下反应可以得到少量的 N-乙基哌 嗪。但此合成方法副反应多 ,后处理工作量大。以此依据另外选择方法为以哌嗪为起始原料 ,选用溴乙烷为烷化剂 ,哌嗪为起始原料 ,选择合适的溶剂及最佳反应条件 ,以抑制或减少 N-N 双取代物的生成 ,取得了满意的结果。 ,溴乙烷为烷化剂 ,液相烷

14、基化反应合成 N-乙基哌嗪 【 2】 ，反应式为 : 1.5 哌嗪相关体系热力学性质研究概况 哌嗪系列产品有重要的应用价值。特别是 N-甲基哌嗪、 N-乙基哌嗪等烷基哌嗪具有独特的生物活性，不仅是良好的医药中间体，也可以作为生化模型分子，因此它们的合成、物性研究和工艺开发都引起人们的重视 。 顾 飞燕 等 对哌嗪系列相关体系的热力学性质进行过一些研究 3报道了N-甲基哌嗪 +哌嗪、水 +N-甲基哌嗪及水 +N-乙基哌嗪二元体系的一些物性和汽液平衡性质，陈树大3等 对 N-甲基哌嗪相关的许多热力学性质及汽 -液平衡数据做了系统的研究。 4 2 实验部分 2.1 基本原理 当液体内各部分之间有相对

15、运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍液体的相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，液体的内摩擦力称为粘滞力。粘滞力的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，比例系数 称为粘度（或粘滞系数）。 2.1.1 纯物质的动力 粘度 查得纯物质的动力粘度的文献值 2如下表，以便计算粘度计常数。 表 2-1 纯物质的动力粘度的文献值 物质 293.15 298.15 303.15 文献值 文献值 文献值 甲醇 0.5929 0.5514 乙醇 1.0826 0.987 正丙醇 1.943 1.725 异丙醇 2.0436 1.767 正丁醇 2.571 2.271 异丁醇 3.333 N-乙基哌嗪 0.

16、895 2.1.2 粘度计常数的测定 本实验采用乌氏粘度计测定溶液的粘度，每支粘度计的 说明书上都已标明了该粘度计的系数，但在不同的条件下 常数会有差异， 为求准确与可靠性，须用标准液体重新 测定并计算，而已有的只供参考。 取粘度值相差约 3-5倍的两种粘度标准液的运动粘度，按规定操作程序用该粘度计测得其相应测量时间，于是用公式 3 Cl=(v1t1-v2t2) (tl2-t22) (1) C2=(vlt2-v2t1) tl t2 (tl2-t22) (2) 式中 Cl为粘度计的常数， C2为粘度计的系数。 2.1.3 动力粘度与过量动力粘度的计算方法 在某一恒定温度下，测定醇与 N-乙基哌嗪

17、混合液在重力下流过已标定好的乌氏毛细管粘度计的时间，其运动粘度用符号 V表示： v= Cl t- C2 /t (3) 根据公式 (12)计算所得的是运动粘度，为此还需要通过密度进行换算： = v (4)式中为动力粘度，为密度， v为运动粘度。 5 类似于过量性质，混合物动力粘度与相应纯组分动力粘度线性组合之间的差 E7： E= -(x1 1+ x2 2) (5) 其中和 1、 2分别为混合物和相应纯组分的动力粘度。 2.2 实验方法 2.2.1 主要 实验仪器 SYD-265C石油产品运动粘度测定器 毛细管粘度计（乌氏规格 0.8至 0.9mm）。 测定液体粘度的方法很多，典型的传统测定方法主

18、要有毛细管法、扭摆振动法、落球法、旋转法等 25。 实验就采取毛细管法。 毛细管粘度计因不能调节线速度 ,不便测定非牛顿流体的粘度 ,但对高聚物的稀薄溶液或低粘度液体的粘 度测定影响不大 。 毛细管粘度计种类很多，国外大都以设计者的名字加以命名。 本实验采用乌氏粘度计。 在规定条件下测定试 样 在 乌 氏粘度计中的流出时间 (s)，与该粘度计用已知粘度的标准液测得的粘度计常数 计算可得溶液 的运动粘度。 2.2.2 毛细管法的原理 毛细管法测定粘度的理论基础是 Poiseuille 定律 26即： = R4(P1-P2)t 8LVt (6) 式中： R 毛细管半径； t 液体流经毛细管的时间；

19、 L 毛细管长度； Vt t时间内液 体所流过的体积； P1、 P2： 流体单元所受的压力。 式 (1)的推导过程，假设粘滞液体在内径为 R,长度为 L的管内，两端压差为 P，液体在外力 R2P的作用下以一定速度流动 27图 2-2所示 : 图 2-1 细管中流体受力图 现在考虑半径为 r，表面积为 2 r L的液体圆筒上的力的平衡。在稳定流的条件下，外力与粘性力平衡，由此可得平衡方程： r2P=- 2 r L(d v d r) (7) 6 两边求积分并根据边界条件 r=R， v=0，可以解出流体速度分 布方程： v=（ P/4L）（ R2-r2） (8) 式中 v为流体速度，为流体粘度。 从

20、 (2)式中可看出管中流体的速度分布为抛物面分布。那么，流经细管的流量 Q为： Q= R 0 v2 rdr= R4P/(8L ) 从而得 : = R4P (8QL)= R4Pt/(8VL) (9) 其中 V为时间 t内流过毛细管的体积。 这就是 Hagen-Poiseuille 公式，但它是建立在理想情况下得出的，必须进行动能修正和Couette修正，最后： = R4Pt 8V(L+ nR)-m V/8 (L+ nR) t (10) 其中： m为动能修正系数 （当 V/r1时， m=1）； n为末端修正系数，其值在 0-1.2 之间；为密度。 当液体在重力作用下流经毛细管 粘 度计时 : P=

21、 g h (11) h为流过毛细管液体的平均液柱高度； g为重力加速度 对于同一粘度计尺寸固 定， m、 n、 R、 L、 C1、 C2为常数，以： C1= hgR4 8V ( L+ n R) (12) C2= m v/8 ( L+ n R) (13) 对某一给定毛细管黏度计，式 (10)可改写为： =(C1t- C2 /t) (14) 用已知粘度和密度的流体预先求得 C1和 C2，则任意流体的粘度就可以通过 h, V 体积流体的流出时间及密度来求。 2.2.3 实验步骤 (1) 用电子天平称重并配制不同组成的二元混合溶液待测。 (2) 用标准液体标定乌氏粘度计，得相关常数 C1和 C2。 (3) 通过测定不同粘度计的流动时间（使流动时间不少于 200s） ,选择合适的乌氏粘度计。 (4) 利用铅垂线将粘度计调整成为垂直状态 (通过夹持器上的三个小螺钉进行调整 )，要从两个相互垂直的方向去检查。 (5) 将恒温水浴调整到规定的温度，装好试样，粘度计浸在恒温水 浴中恒温 15分钟，试验的温度必须保持恒定到 0.1。