二硝基甲苯氫化焦油的分析研究

楊英朝，李曉明，蒙鴻飛，梁睿淵，王德秋，崔楊，孟蕾，肖騫澄

(甘肅銀光聚銀化工有限公司，甘肅 白銀 730900)

TDA 通過二硝基甲苯(DNT)經氫化反應制得，粗TDA 產物中含有TDA 異構體、水、焦油以及微量的催化劑［1-2］。加氫過程中的副反應生成許多高沸點組分(工業上一般稱之為焦油)。由于焦油凝固點、黏度都很高，脫除高純度的焦油，容易堵塞管道和設備，難于操作［3-4］。傳統工藝中分離TDA 的方法采用多塔連續精餾，焦油從塔底排出并被焚燒處理，導致生產焦油中間位TDA 的排放含量較大，既造成了TDA 的浪費，又引起了嚴重的環境污染。若能通過優化工藝條件，設計新型低焦油含量的氫化工藝，不僅可以減少TDA 的浪費，提高經濟效益，同時實現資源的有效利用和環境保護［5-6］。

為了更好的優化氫化反應工藝條件，有必要對氫化焦油的組分進行檢測分析，通過了解焦油的組成和其中各組分可能的生成機理，進而有針對性地選擇不利于副反應產物生成的氫化條件對DNT 進行加氫，實現氫化過程中焦油生成量的有效降低。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

無水乙醇、丙酮、十六烷、對氨基甲苯均為分析純;對硝基甲苯、2，4-二氨基甲苯均為化學純;DNT氫化焦油，工業品;13X 分子篩;5A 分子篩。

3420A 型氣相色譜;Nexus 670 FTIR 紅外光譜儀;BS 200 S 型電子天平;PE-7 熱分析儀;Flash EA 1112 元素分析儀。

1.2 實驗方法

采用紅外吸收光譜法分析、元素分析和熱重分析對氫化焦油進行分析，氫化焦油吸附分離后的液相樣品通過GC-MS 分析和氣相色譜法分析。

2 結果與討論

2.1 氫化焦油物態及溶解性分析

氫化焦油常溫下為棕褐色固體，85 ℃以上為棕黃色的粘稠液體，pH 值為7。易溶于丙酮、乙醇、甲醇、乙腈等有機溶劑，微溶于水等無機溶劑。通過差量法測定了常溫下焦油在幾種常見溶劑中的溶解度，結果見表1。

氫化焦油的熔程為69 ～85 ℃，不同批次的樣品熔程略有不同，其主要原因在于焦油中間位TDA 的含量有差異。焦油熔解過程中固相組分含量和溫度的關系見圖1。

表1 焦油在不同溶劑中的溶解度Table 1 Tar solubility in different solvents

圖1 溫度對氫化焦油固相含量的影響Fig.1 Effect of temperature on the solid content of hydrogenation tar

2.2 熱重分析

熱重分析見圖2。

圖2 氫化焦油的熱重分析圖Fig.2 TGA diagram of hydrogenation tar

由圖2 可知，氫化焦油在250 ～300 ℃出現了第1 個明顯的失重，質量損失約為30%。間位TDA 的沸點在280 ～300 ℃，所以第1 個質量損失有可能為間位TDA。由此可知，焦油中間位TDA 的含量約為30%。450 ～500 ℃有第2 個明顯的失重，由DNT 加氫機理推得，有可能為TDA 的聚合體。

2.3 氣相色譜分析

將瀝青狀的氫化焦油研磨成粉末狀，稱定量的焦油粉末，置于100 mL 的燒杯中，加入適量溶劑，攪拌使其充分溶解，過濾后移取2 mL 濾液，加入到10 mL 容量瓶中，加入內標物(對硝基甲苯)，之后定容，用氣相色譜分析，結果見圖3。計算可知，焦油混合物中2，4-TDA 的含量約為30%。

圖3 氫化焦油的氣相色譜圖Fig.3 Gas chromatogram of hydrogenation tar

2.4 紅外光譜分析

圖4 為純品2，4-TDA 的紅外圖譜。

圖4 2，4-TDA 的紅外光譜Fig.4 IR spectroscopy of 2，4-TDA

由圖4 可知，3 500 cm－1的強吸收峰為N─H 的伸縮振動;3 000 cm－1附近的多個弱吸收峰為芳香族C─H 的伸縮振動;1 600 cm－1強吸收峰為N─H的特征峰。根據這些特征峰可以判定焦油樣品分子中含有氨基。純品TDA 在3 500 cm－1沒有出現包峰，說明純品中未出現氫鍵締合現象。

圖5 為DNT 氫化焦油的紅外光譜圖。

圖5 氫化焦油的紅外光譜圖Fig.5 IR spectroscopy of hydrogenation tar

由圖5 可知，在3 300 ～3 500 cm－1寬峰是由于發生了氫鍵締合的現象，說明焦油樣品中可能含有氨基、酰基等基團。1 600 cm－1吸收峰，說明焦油中可能含有伯氨，1 400 cm－1吸收峰為單鍵區的C─N單鍵伸縮振動。

2.5 液相色譜分析

柱流速0.5 mL/min，柱溫35 ℃，流動相組成，采用梯度洗脫，甲醇10% ～100%，運行時間70 min，最大響應波長275 nm，進樣量10 μL，結果見圖6。

圖6 氫化焦油液相色譜圖Fig.6 Liquid chromatogram of hydrogenation tar

2.6 元素分析

對DNT 氫化焦油生產中的殘渣進行了元素分析，結果見表2。

表2 DNT 氫化焦油元素分析Table 2 Element analysis of DNT hydrogenation tar

以100 g DNT 氫化焦油為計算基準，其中含有碳元素68.54 g，氫元素7.02 g，氮元素20.86 g，氧元素3.04 g。在加氫過程中沒有其它元素引入，但元素分析結果表明，焦油中含有氧，可能由于氫化焦油在放置過程中被空氣中氧氣氧化的結果。其它組分可能是由于在加氫過程中的催化劑沒有回收徹底，導致在焦油中含有一定的金屬催化劑，含量約為0.55%。

2.7 催化劑含量分析

稱取定量焦油樣品，常溫下采用乙醇進行完全溶解，抽濾(濾膜孔徑0.45 μm)進行固、液分離后，干燥濾膜，并準確稱量固相質量，蒸餾母液中的乙醇，并對焦油進行干燥處理，準確稱量，分析結果見表3。

由于焦油中的有機相全部溶解于乙醇中，剩余的固相主要為焦油中所含催化劑。由表3 可知，所采氫化焦油樣品中，催化劑含量約為3.44%，液相(TDA 和純焦油)占96.56%左右。

表3 不同樣品固液相含量表Table 3 Table of solid-liquid phase content

2.8 催化劑中Ni 含量分析

在定量的試樣中加濃硝酸，慢慢加熱煮沸，使焦油氧化成水溶性物質，Ni 變成Ni(NO3)2，用水稀釋成一定體積，用原子吸收分光光度法測定Ni 含量，結果見表4。

表4 不同樣品中Ni 含量對比表Table 4 Table of Ni content in different samples

由表4 可知，氫化焦油中金屬Ni 的含量約為0.43%。

3 結論

(1)氫化焦油易溶于丙酮、乙醇、甲醇、乙腈等有機溶劑，微溶于水等無機溶劑。

(2)熱重分析表明，焦油中間位TDA 的含量約為30%。

(3)從氫化焦油紅外光譜分析可知，1 600 cm－1處的吸收峰說明焦油中可能含有伯氨，1 400 cm－1處的吸收峰應為單鍵區的C─N 單鍵伸縮振動。

(4)從元素分析可知，以100 g DNT 氫化焦油為計算基準，其中含有碳元素68.54 g，氫元素7.02 g，氮元素20.86 g，氧元素3.04 g。

(5)氫化焦油中含有約3.44%的固相催化劑。其中，金屬Ni 的含量約為0.43%。

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