Разделение нефтяных фракций на группы компонентов по химическому строению, выделение из продуктов нефтепереработки аренов, алкенов, алкадиенов и алкинов ректификацией, как правило, малоэффективно и часто практически невозможна из-за близких температур кипения компонентов и образования азеотропов. Например, бензол образует азеотропы с циклогсксаном, циклогексеиом, мстилциклопентаном, алканами С7 изостроения. При разделении подобных смесей широкое применение находят экстракция, абсорбция, экстрактивная и азеотропная ректификация. Общим для всех этих процессов является использование селективных растворителей, энергия взаимодействия которых с разделяемыми компонентами различна.
Углеводородные системы можно рассматривать в первом приближении как идеальные, подчиняющиеся закону Рауля:
pi = P0x. (1)
где pi — парциальное давление i-ro компонента; Р0 — давление насыщенного пара i-ro компонента при данной температуре; X — моЛяриая доля i-ro компонента в растворе.
В этом случае коэффициент относительной летучести а разделяемых компонентов рассчитывается как отношение давлений насыщенного пара:
a = P01/fP02 (2)
При введении полярного растворителя система становится неидеальной:
Pi = YP0x (3)
тде Y — коэффициент активности i-ro компонента.
Коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов в присутствии растворителя a:
a = y1P01/y2P02 (4)
Селективность S, или избирательность, растворителя характеризует изменение коэффициента относительной летучести компонентов:
S= aр/a = y1/y2 (5)
Значения коэффициентов активности углеводородов различных гомологических рядов (при одинаковом числе углеродных атомов в молекулах) в полярных растворителях изменяются, как правило, в последовательности:
алканы > цнклоалканы > алкены > алкадиены > алкины > арены.
Именно в.этой последовательности возрастают силы притяжения между молекулами углеводородов и растворителя.
Алкены, алкины и арены, в отличие от насыщенных углеводородов, являются донорами п-электронов и способны к специфическому взаимодействию —образованию п-комплексов с молекулами электроноакцепторных растворителей С.
Стабильность п-комплексов возрастает с увеличением электронодонорной способности молекул углеводорода и усилением неравномерности распределения зарядов в молекулах растворителей. В отдельных случаях п-комплексы настолько стабильны, что имеют характерные температуры плавления, например комплексы би- и полицнклических аренов с пикриновой кислотой, 1,3,5-тринитробензолом, 2,4,7-тринитрофлуореноном, комплекс бензола с пентафторнитробензолом.
Другой вид специфического взаимодействия углеводородов с полярными растворителями — образование водородных связей, характерное в особенности для алкинов.
В той же последовательности, от алканов к аренам увеличивается и поляризуемость на единицу объема молекул, а следовательно, и энергия вандерваальсова, в частности индукционного, взаимодействия.
Чем больше различаются энергии взаимодействия разделяемых компонентов с молекулами растворителей, тем выше селективность растворителя. Селективность увеличивается при снижении температуры в связи с большей стабильностью п-комплексов и при увеличении концентрации растворителя в системе. Максимальная селективность при данной температуре достигается при бесконечном разбавлении углеводородов.
Значения легко определяются с помощью метода газожидкостной хроматографии, и их удобно использовать для сравнения селективности различных растворителей. В табл. приведена селективность наиболее эффективных разделяющих агентов, применяемых в процессах экстракции, абсорбции, экстрактивной и азеотропной ректификации, по отношению к системе гексан — бензол. Эта углеводородная система может быть использована в качестве модельной, так как вследствие единства механизма межмолекулярных взаимодействий растворителей с различными аренами и непредельными углеводородами выполняются достаточно надежно линейные зависимости между значениями селективности при выделении бензола и по отношению к другим аренам с различным числом циклов, а также при выделении алкснов и алкадиенов.
Селективные растворители избирательно растворяют арены» или непредельные углеводороды в процессах экстракции и абсорбции, увеличивают коэффициенты относительной летучести насыщенных углеводородов в процессах экстрактивной и азеотропной ректификации.
Таблица Коэффициенты активности гексана (Yг), бензола (Yб) и селективность растворителей при 60°С
Растворитель | Yг | Yб | S= Yг/ Yб |
Днэтиленгликоль | 64 | 6,5 | 9 8 |
Триэтнленгликоль | 40,5 | 4,2 | 9,6 |
Тетраэтиленгликоль (50°С) | 31,8 | 2,58 | 12,3 |
Этиленглнколь | 300 | 20,5 | 15 |
Сульфолан | 48 | 2,45 | 19,6 |
Диметилсульфокснд | 39 | 3,05 | 12,8 |
Диметилформамид | 11,5 | 1,4 | 8,3 |
N-Метилпирролидон | 8,6 | 1,0 | 8,6 |
N-Формилморфолин (50 °С) | 37,8 | 1,95 | 19,4 |
Фенол | 12 | 2,5 | 4 8 |
Фурфурол | 18 | 2,6 | 6,9 |
Метанол | 19 | 5,8 | 3 3 |
Ацетон | 5,1 | 1,6 | 3 2 |
Ацетонитрнл | 15,8 | 2,6 | 6,0 |