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气—液—液反应萃取制备过氧化氢基础研究

吕树祥  
【摘要】:过程强化是一种高效、节能、清洁、安全、可持续发展的化工新技术,代表化学工程与技术发展方向。反应与分离技术的集成是过程强化的重要途径,将化学反应与液-液萃取集成在一个设备里进行,是一种典型的反应与分离的集成,反应与萃取两个过程互相促进,可以提高反应的转化率和选择性、产物的分离效率和能量的利用率。 气体既是反应物,又是搅拌介质的气-液-液三相反应萃取是一种新型的过程强化技术。本文以空气-水-蒽醌工作液为实验物系,对气-液-液三相反应萃取过程中流体力学、气-液传递、气-液反应和液-液传递规律进行了系统研究。 在筛板塔内,研究了气-液-液三相流体力学性质。测定了气含率和分散相滞液率,讨论了气相、分散相和连续相流速对气含率和分散相滞液率的影响; 提出了用于预测气-液-液三相体系的气含率和分散相滞液率的关联式,分散相滞液率关联式的预测值与实验结果的平均相对偏差为7.3%,气含率关联式的预测值与实验结果的平均相对偏差为7.1%。 研究了气-液-液三相系统轴向返混特性和传质规律,讨论了气体对分散相和连续相轴向返混的影响; 提出了适用于气-液-液三相体系中,分散相和连续相轴向扩散系数的关联式。 在筛板萃取塔内,研究了气-液-液萃取过氧化氢过程。提出了气-液-液三相筛板萃取塔总板效率的关联式,关联式计算结果与实验值的最大偏差为5.6%; 建立了气-液-液三相萃取过程数学模型,模型计算结果与实验数据有较好的吻合,平均相对偏差小于10%; 并用模型对气-液-液三相萃取生产过氧化氢过程进行了预测,达到相同的分离效果,气-液-液三相萃取所需塔板数比普通液-液萃取降低30%~40%。 研究了气-液-液三相反应萃取制备过氧化氢过程动力学。通过理论分析和实验验证,确定氢蒽醌氧化反应受氧气传质控制,过氧化氢的萃取速率受反应和过氧化氢传质共同控制。在此基础上,建立了反应萃取动力学模型,求取了模型参数,为气-液-液三相反应萃取过程的数学模拟和设计提供了依据。 在筛板萃取塔内,研究了气-液-液三相反应萃取制备过氧化氢过程。考察了各相流速、塔板开孔率等对氢蒽醌氧化反应和过氧化氢萃取的影响; 建立了气-液-液三相反应萃取数学模型,模型计算结果与实验数据有较好的符合,平均相对偏差小于15%; 并在工业小试装置上进行了验证,验证和模型模拟结果均表明,在一个萃取塔内,采用反应萃取技术生产过氧化氢是可行的。


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