1、 本科 毕业设计 （ 20 届） N-乙基哌嗪 +水二元体系热力学性质研究 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 :测 定 N-乙基哌嗪 与水组成的二元体系 293.15K、 298.15K、 303.15K下 密度、粘度和表面张力，并计算体系 的体积性质、粘度性质、表面性质和与之相关的过量性质，从分子相互作用角度讨论这些二元体系热力学性质的变化规律， 为 N-乙基哌嗪的开发和含 N-乙哌嗪的二元体系的热力学性质研究提供基础数据和信息。 关键词 : N-乙基哌嗪；水；热力学性质；测定；计算 II Abstract:This paper
2、has measured the density and kinematic viscosities, surface tension for binary mixtures of N-ethylpiperazine with water at 293.15K,298.15K and 303.15K, calculated the volume of system of computation nature, viscosity properties and surface properties and related excessive properties, discussed the c
3、hanges in the nature of the law from the perspective of interactions of molecular,and it will provide basic data and information for the development of N-ethyl piperazine. Keywords: N-ethylpiperazine; water; thermodynamic property； calculate 目 录 摘要 Abstract 1 绪论（ 1） 1.1 论文选题的背景和意义 （ 1） 1.2 N-乙基哌嗪的 物
4、理性质 （ 1） 1.3 哌嗪的几种合成方法 （ 2） 1.4 哌嗪相关体系热力学性质研究概况 （ 2） 2 实验部分 （ 3） 2.1 体积性质 （ 3） 2.1.1 纯物质的动力粘度 （ 3）2.1.2 密度测定的实验仪器 （ 3） 2.1.3 比重瓶原理 （ 3） 2.1.4 密度测定实验步骤 （ 3） 2.1.5 密度数据 （ 4） 2.1.6 过量体积性质 （ 5） 2.2 粘度性质 （ 7） 2.2.1 纯物质的动力粘度 （ 8） 2.2.2 毛细管法的原理 （ 8） 2.2.3 粘度 实验仪器 （ 9） 2.2.4 粘度测定实验步骤 （ 9） 2.2.5 运动粘度数据 （ 10）
5、 2.2.6 计算动力粘度与过量动力粘度 （ 11） 2.3 表面 张力性质 （ 13） 2.3.1 纯物质的表面张力 （ 13） 2.3.2 表面张力实验仪器 （ 13） 2.3.3 吊环法原理 （ 13） 2.3.4 表面张力测定实验步骤（ 13） 2.3.5 表面张力与过量表面张力 （ 14） 3 结果与分析（ 15） 4 结论 （ 17） 致谢 （ 18） 参考文献 （ 19） 1 1 绪论 1.1 论文选题的背景和意义 化工过程经常要与物性打交道。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 1。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
6、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 2。 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 3。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-乙基哌嗪和水的二元
7、体系的一系列密度、粘度、表面张力性质，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料 4。 因此 ,它及其衍生物的合成 ,物性研究和工艺开发都引起人们相当高的重视 。 N-乙基哌嗪等烷基 哌嗪常温下为液体 ， 易与水 、 醇类等溶剂互溶 ， 研究它与水 、 醇类组成体系的体积性质 、 相平衡性质 、 粘度性质对于深入了解 N-乙基哌嗪的热力学特征以及相关的开发研究都有重要的意义 5。 1.2 N-乙基哌嗪的物理性质 N-乙基哌嗪（ N-ethylpiperazine）
8、是哌嗪衍生物中比较重要的一种化合物，分子式为 C6H14N2，结构式为HN N， 分子量为 100.16。外观为无色或淡黄色透明液体，溶于水、乙醚、乙醇，可与水、甲醇等以任意比互溶，在水溶液中呈弱碱 性。 其一般物性见表 1-16。 表 1-1 N-乙基哌嗪的一般物性 项目 物性 沸点 (760mmHg)/ 157 相对密度 /（ g/cm3） (20 ) 0.899 折射率 1.4670-1.4700 偶极距 /（ 25，苯） 1.14D 闪点 / 43 CAS登录号 5308-25-8 2 1.3 哌嗪 的几种合成方法 1.3.1乙醇胺裂解闭环 6合成法： 该法是国内传统的六水哌嗪（含量
9、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 。 1.3.2 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装置配套。 1.3.3 乙二胺直接环合成法 7： 该法采用
10、 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。 1.4 哌嗪相关体系热力学性质研究概况 哌嗪系列产品是氟哌酸等药物的重要中间体 , 也是一些合成染料的原料 , 它们在制药工业和精细化学品开发中很有应用价值。但是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。因此，研究哌嗪系列产品的热力学性质，为化工设计提供基础数据具有重大的意义。相继有很多科研究者发 表了哌嗪系列产品的热力学性质的文章。顾飞燕
11、 等 对哌嗪系列相关体系的热力学性质进行过一些研究 2，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 2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。 3 2 实验部分 2.1体积性质 液体密度常用的测定方法有比重瓶法、浮力法、振动管密度计法以及振动丝粘度密度仪法 8。比重瓶和 液体比重计 曾经是最 常用的密度测量工具 。 2.1.1 纯物质的密度 查得纯物质的密度的文献值如下表。 表 2-1 纯物质的密度的文献值 物质 293.15K密度（ g/cm3) 298.15K密度（ g/cm3) 303.1
12、5K密度（ g/cm3) 文献值 文献值 文献值 水 8 0.9982 0.9957 N-乙基哌嗪 9 0.895 2.1.2 密度测定的实验仪器 恒温水浴槽一套，电子天平， 100毫升锥形瓶 11个， 25毫升比重瓶（ 附有特制温度计、带磨口帽的小支管的） 11个， 25毫升移液管 2支， 10毫升移液管 2支， 5毫升移液管 2支，洗耳球 1个 2.1.3 密度测定实验原理 20时分别测定充满同一密度瓶的水及试样的质量，由水的质量可确定密度瓶的容积即试样的体积，根据试样的质量及体积即可求其密度。 试样密度按下式计算： =Vm 又 V=m 水 / 0 则 =m 样 0/m 水 式中 m 样
13、20时充满密度瓶的试样表观质量， g； m 水 20时充满密度瓶的蒸馏水表现质量， g； 0 20时蒸馏水的密度。 2.1.4 密度测定实验步骤 （ 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）调节循环水恒温槽到预定温度。 （ 3）秤取每个空比重瓶的质量 M1,用蒸馏水充满比重瓶，用滤纸擦干溢出的蒸馏水，放入恒温水4 浴槽中，到达测定温度，取出，擦干溢出的水，称重 M2，水的质量 M2-M1。 （ 4）重复（ 3)步骤测定 293.15K， 298.15K， 303.15K下每个二元混合溶液的质量。 （ 5）计算 293.15K， 298.15K， 303.15K下每个二元混
14、合溶液的密度。 2.1.5 密度数据 分别在 293.15K， 298.15K， 303.15K下，测定水和 N-乙基哌嗪二元体系的密度列于下表 2-2。 表 2-2 水 +N-乙基哌嗪二元体系不同浓度下的密度 二元体系密度（ g/cm3) x 293.15K 298.15K 303.15K 0.0000 0.8993 0.8971 0.8928 0.1011 0.9010 0.8981 0.8941 0.2011 0.9018 0.8986 0.8948 0.3015 0.9026 0.8999 0.8961 0.4234 0.9049 0.9024 0.8986 0.4996 0.9085
15、 0.9062 0.9022 0.5999 0.9137 0.9113 0.9074 0.7028 0.9222 0.9202 0.9163 0.7996 0.9376 0.9354 0.9318 0.8999 0.9637 0.9619 0.9583 1.0000 0.9982 0.9969 0.9957 由上表作图 2-2 图 2-2 水 +N-乙基哌嗪二 元体系不同浓度下的密度 5 2.1.6 过量体积性质 二元体系的超额摩尔体积和组分的超额偏摩尔体积 根据密度数据，可以计算二元体系的超额摩尔体积 VE: 其中 , 和 V 分别为二元混合物的密度和摩尔体积 , x i,V i,M i (
16、 i= 1, 2) 分别为纯组分 i 的摩尔分数、摩尔体积和摩尔质量。 二元体系的超额摩尔体积与组成的关系可采用如下的 Redlich-Kister多项式关联： 并且可以通过最小二乘法拟合实验数据确定 方程参数。 根据溶液热力学理论，可以推导得到组分的超额偏摩尔体积： 二元体系的超额摩尔体积 VE在极值点处有： 。 根据上述密度数据计算二元混合溶液的摩尔体积及超额摩尔体积 ,将其列于表 2-3 表 2-3 水 1)+N-乙基哌嗪 (2)二元体系的摩尔体积与超额摩尔体积 摩尔体积 V(cm3/mol) 超额摩尔体积 VE(cm3/mol) x 293.15K 298.15K 303.15K 29
17、3.15K 298.15K 303.15K 0 126.9765 127.2879 127.9010 0.0000 0.0000 0.0000 0.1011 115.9459 116.3202 116.8406 -0.5024 -0.4894 -0.4774 0.2011 105.1788 105.5533 106.0016 -1.2454 -1.2125 -1.2828 0.3015 94.3882 94.6713 95.0728 -1.6861 -1.6375 -1.6893 0.4234 81.1931 81.4180 81.7623 -2.1382 -2.1209 -2.0969 0.
18、4996 72.8051 72.9899 73.3135 -2.3049 -2.2355 -2.2385 0.5999 61.8339 61.9967 62.2632 -2.3565 -2.1792 -2.3003 0.7028 50.5332 50.6430 50.8586 -2.1759 -2.1151 -2.0839 0.7996 39.7744 39.8679 40.0220 -1.7495 -1.6754 -1.6286 0.8999 28.6880 28.7417 28.8496 -0.9337 -0.8702 -0.8248 1 18.0525 18.0760 18.0978 0.0000 0.0000 0.0000
