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《广西大学》 2012年
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流化催化蒸馏合成乙酸乙酯/乙酸丁酯过程研究

廖安平  
【摘要】:化学反应过程是化学转化技术的核心,如何提高化学反应过程效率,始终是科学家和工程技术人员重要研究任务。各类反应过程与分离过程耦合强化反应过程成为现代化学转化技术发展的一个重要方向。催化蒸馏技术是将非均相催化反应过程和蒸馏过程有机耦合强化反应过程,具有能耗低、操作简单、投资少等优点,是近30年发展起来的一种新的化学转化过程技术,在乙酸酯生产工业中具有良好应用前景。 从已商品化的四种强酸性离子交换树脂中筛选出了一种对合成乙酸乙酸和乙酸丁酯具有良好催化性能的凝胶型强酸性树脂A。通过对树脂酸性离子交换树脂的表征,认为其催化酯化反应的差异性主要是由—SO3H的含量和活性引起的。研究了粉碎、部分金属离子、温度预处理、重复使用及再生等因素对树脂A催化性能的影响。实验结果表明,树脂A催化剂经粉碎后对其催化性能影响不大,催化剂的选择好。树脂A与Fe2+、Ni+、Mn2+、Cr3+、Cu2+等金属离子结合后,催化活性都有不同程度的降低,其中与Fe2+和Ni+结合后,其催化活性降低较大;树脂A与Fe2+和Mn2+结合后经酸活化,催化活性恢复较好,但与Cr3+、Cu2+和Ni+结合后其催化活性恢复较差;与Fe3+结合后,其催化活性有所增加。树脂A重复使用15次后,其催化活性未见明显下降,在乙酸乙酸和乙酸丁酯体系的溶失率分别为0.35%和0.15%(wt%),树脂A可在180℃下使用。 在催化剂用量0.08g催化剂·g乙酸-1,反应2小时,反应温度为67.7℃,乙酸:乙醇的摩尔比为3:1,乙醇的转化率为90%以上。当乙酸:丁醇的摩尔比为3:1,催化剂用量为乙酸加入质量的0.08g催化剂·g乙酸-1,反应温度为80.5℃,反应2小时,丁醇的转化率为90%以上。在同时催化合成乙酸乙酯和乙酸丁酯的混合酯化反应时,在相同的实验条件下,乙醇和丁醇的转化率比单独进行的酯化反应要低一些。当乙酸:乙醇:丁醇的摩尔比为2:0.8:1,反应2小时,乙醇的转化率为72.73%,丁醇的转化率为64.4%;乙酸:乙醇:丁醇的摩尔比为2:1:0.8,反应2小时,乙醇的转化率为69.94%,丁醇的转化率为63.04%。 在间歇釜式反应器中研究了树脂A分别催化合成乙酸乙酯和乙酸丁酯的动力学模型。在消除内外扩散条件下,采用初始速率法,分别获得了树脂A催化合成乙酸乙酯和乙酸丁酯的拟均相动力学方程。在催化剂用量为0.01665~0.08333gcat·gA-1,反应温度为320.5K-340.7K,树脂A催化合成乙酸乙酯的拟均相动力学模型可描述为: 在催化剂用量为0.01665~0.08333gcat·gA-1,反应温度为336.3K~358.5K,树脂A催化合成乙酸丁酯的拟均相动力学模型可描述为: 合成乙酸乙酯动力学模型计算值与实验值的最大相对偏差为8.3%;合成乙酸丁酯动力学模型计算值与实验值的最大相对偏差为8.5%;两个模型的置信度为98%。 在Φ34mm的填料塔中,采用填装小型陶瓷拉西环的流化催化蒸馏塔,以空气-水和空气-水-催化剂细粉为研究体系,研究了液相中树脂细粉的加入对填料塔的流体力学性能和分离性能的影响。研究结果表明,液相中细粉催化剂的加入,对填料塔压降的影响不大。在相同的操作条件下,液相中树脂含量的增加,填料层中的持液量有增加,塔的分离能力有所提高。当液相中树脂细粉含量为4%时,塔的分离能力比无树脂细粉时提高约1/5。 在Φ34mm的流化催化蒸馏塔中连续合成了乙酸乙酯和乙酸丁酯。乙醇从塔下部的Y1o进料口进料,乙酸从塔上部的Y3进料口进料,乙酸中催化剂量为0.05g催化剂·g乙酸-1,进料乙酸与乙醇摩尔比为2.5,塔顶用99.5%的高浓度酯液以取出粗酯量的2.5倍“回流”,釜液循环,合成乙酸乙酯时塔顶有机相组成为乙酸乙酯95.71%,乙醇1.30%,水2.99%,几乎不含酸。乙醇的单程转化率为97.35%,乙酸乙酯的收率为98.27%。丁醇从塔的Y9进料口进料,乙酸从Y3进料口进料,乙酸中催化剂量为0.05g催化剂·g乙酸-1,乙酸和丁醇的进料总流量为3.0mol/h,进料乙酸与丁醇摩尔比为3:1,回流比为2时,合成乙酸丁酯时塔顶粗酯相的组成为乙酸丁酯97.46%,丁醇1.09%,水1.45%,几乎不含酸。丁醇的单程转化率为97.15%,乙酸丁酯的收率为97.88%。
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