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渗透汽化催化膜微反应器应用于乙酸丁酯合成的研究

胡佳煜  
【摘要】:热力学平衡限制反应(Equilibrium-limited Reaction)是化工生产中一类重要的反应,常见的有酯化、硝化、缩酮、酰化反应等;此类反应同时还存在平衡转化率低,副产物多,产物不易分离提纯等问题。为解决上述问题,近年来,根据过程强化理念设计的渗透汽化膜反应器(Pervaporation Membrane Reactor, PVMR)受到广泛的关注。目前,渗透汽化膜反应器的研究重点集中于催化剂的开发和膜性能的优化。本文引入微反应器的设计理念,以乙酸、正丁醇酯化体系为探针反应,通过优化反应器结构,精确匹配产物生成速率和移除速率,进而有效提高了微反应器酯化过程反应分离耦合效率,相比于传统催化膜反应器催化酯化性能有了大幅提升。根据实验室前期研究成果,使用固体酸Zr(SO4)2-4H2O作为乙酸丁酯合成反应催化剂,并选用亲水性材料聚乙烯醇(PVA)作为渗透汽化膜材料。通过浸没沉淀相转化法,制备了具有复合多层结构的渗透汽化催化膜,并利用扫描电子显微镜(S EM)、X射线光电子能谱(XPS)以及热重分析(TG)等手段对渗透汽化催化膜进行表征。通过优化膜反应器结构,制备了新型渗透汽化催化膜微反应器。比较了微反应器与传统膜反应器催化酯化性能的差异。研究了在一定温度范围内,低V/A比、高料液空速的情况下,微反应器的催化、分离以及反应分离耦合性能,同时对渗透汽化催化膜微反应器进行了长时间耦合操作的稳定性测试。实验结果表明:渗透汽化催化膜具有完整的多层复合结构,且催化层疏松多孔,催化剂在孔通道内壁得到有效分散。各层膜结构之间紧密粘附,无剥离现象。渗透汽化催化膜具有较好的耐热性能,能够适应微反应器在适宜温度范围内的各项操作。在停留时间30mmin,料液温度65℃时,渗透汽化微反应器对水含量5wt%的正丁醇/水二元混合物分离效果最好,经过微反应器的脱水处理,料液水含量由5.0wt%下降至1.4wt%,膜后侧透过液中水含量保持在较高水平,达87.60wt%,显示出微反应器渗透汽化过程良好的选择性脱水性能。在催化性能方面,催化膜微反应器中料液与渗透汽化催化膜的接触效率明显高于传统填充床反应器。在相同催化剂相对用量下,料液停留时间60min,反应温度65℃时,微反应器酯化反应转化率为15.30%,远高于相同反应条件下填充床反应器的转化率7.74%。在微反应器反应分离耦合过程的研究中,停留时间60min,料液温度65℃时,酯化反应借助渗透汽化过程,酯化反应转化率由15.30%提升至38.59%。与传统渗透汽化催化膜反应器对比,微反应器的V/A比由12.74cm3/cm2降低至0.08cm3/cm2,在反应分离耦合实验中,微反应器酯化反应催化效率明显高于传统渗透汽化催化膜反应器。在料液温度65℃时,相同催化剂用量下,传统渗透汽化催化膜反应器催化酯化反应5h,转化率为24.76%,而渗透汽化催化膜微反应器达到相同的酯化反应转化率仅需0.75h。


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