合成乳酸正丁酯的固体酸催化剂及催化精馏工艺研究

摘要

本文研究了合成乳酸正丁酯的固体酸催化剂和采用固体酸催化剂的催化精馏酯化工艺，并在反应动力学研究的基础上，借助软件对催化精馏塔进行了模拟分析。
　　 首先，采用浸渍法制备了以Hβ为载体的不同负载量的磷钼酸催化剂。采用IR、XRD和TPD对催化剂的物化性质进行了表征，并在间歇反应器中测定了催化剂的酯化活性。结果表明：随着杂多酸负载量的增加，负载型催化剂的催化活性不断增加。负载量到40％时，具有较好的活性。优选出负载40％磷钼酸催化剂，并得到它在间歇反应器中的最佳反应条件。
　　 另外，在常压，温度353.15K-403.15K的条件下，利用间歇反应器，对酯化反应动力学方程进行了研究，并求得反应的指前因子与活化能、级数。
　　 在高度为2000mm的φ30mm催化精馏塔中，进行了以Hβ沸石做催化剂，乳酸和正丁醇直接合成乳酸正丁酯的研究。考察了酸醇进料比、乳酸进料空速、回流比、进料位置等对酯化反应过程的影响。得到适宜的工艺条件为：塔内填料的装填高度精馏段：反应段：提馏段为1:1:1时，乳酸从第2块理论板进料，正丁醇从第14块理论板进料，乳酸进料质量空速为0.82h-1，乳酸/正醇侧线进料摩尔比1:1.5，回流比R=1。在此工艺条件下连续进料反应，待稳定后，得塔釜乳酸正丁酯质量含量97.14％。同样条件下，用40％磷钼酸/Hβ载体作催化剂，得塔釜乳酸正丁酯的质量含量为97.74％，乳酸进料质量空速增加到0.98h-1时，酯的质量含量仍为97.18％。
　　 通过Aspen软件对催化精馏实验进行了模拟，结果表明使用NRTL-HOC模型对该催化精馏过程的模拟结果和实验值基本吻合，为将来塔器的规模扩大提供了参考。

目录

文摘

英文文摘

前言

第1章 文献综述

1.1 乳酸正丁酯的生产现状

1.1.1 乳酸正丁酯简介

1.1.2 合成乳酸正丁酯的传统催化剂和生产工艺简介

1.2 新型催化剂在酯化反应中的开发和应用

1.2.1 离子交换树脂

1.2.2 固体超强酸

1.2.3 沸石分子筛

1.2.4 固体杂多酸

1.3 催化酯化反应机理

1.4 酯化反应中的催化精馏工艺

1.4.1 催化精馏的原理

1.4.2 催化精馏的特点

1.4.3 催化精馏在酯化反应中的应用

1.5 Aspen Plus软件模拟催化精馏过程简介

1.5.1 Aspen Plus软件

1.5.2 催化精馏过程模拟

1.6 主要研究目的和内容

第2章 实验部分

2.1 实验药品及仪器

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2 Hβ负载杂多酸催化剂的制备

2.3 Hβ负载杂多酸催化剂的表征

2.3.1 杂多酸的热重分析(TG)

2.3.2 催化剂的IR测试

2.3.3 催化剂的XRD表征

2.3.4 催化剂的酸强度和酸量测定

2.4 催化剂催化活性的测定

2.4.1 间歇反应器中催化剂活性的检测

2.4.2 乳酸含水量的测定

2.4.3 校正因子的测定

2.4.4 反应转化率的计算

2.5 动力学实验

2.6 催化精馏实验

2.6.1 催化精馏塔相关参数的测定

2.6.2 催化精馏实验装置

2.6.3 催化精馏塔的实验步骤

2.7 催化精馏塔的模拟

2.7.1 物性分析

2.7.2 模型的建立

第3章 结果与讨论

3.1 催化剂的制备和表征

3.1.1 催化剂的制备

3.1.2 杂多酸的热重分析(TG)

3.1.3 催化剂的红外谱图(IR)

3.1.4 催化剂的X射线衍射谱图(XRD)

3.1.5 催化剂酸强度和酸量的测定(TPD)

3.2 催化剂的活性评定

3.2.1 校正因子的测定

3.2.2 乳酸溶液中含水量的测定

3.2.3 浓硫酸、Hβ作为催化剂的对比实验

3.2.4 间歇反应器中对催化剂活性的分析

3.3 产物测试及分析

3.3.1 反应产物的IR表征

3.3.2 产物的气-质联用表征

3.4 本征动力学研究

3.4.1 外扩散的影响

3.4.2 内扩散的影响

3.4.3 反应动力学方程的建立

3.5 催化精馏工艺的研究

3.5.1 实验原理与工艺过程

3.5.2 催化精馏塔相关参数的测定

3.5.3 不同工艺条件下实验结果与分析

3.5.4 优选催化剂的实验结果

3.5.5 催化精馏工艺实验小结

3.6 催化精馏塔的模拟

3.6.1 Aspen Plus模拟结果

3.6.2 Aspen Plus模拟结果与实际塔操作结果的比较

3.6.3 催化精馏塔的模拟小结

第4章 结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢