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酯交换法合成醋酸正丁酯的催化精馏过程研究

许保云  
【摘要】: 在塔内装有固体催化剂的反应精馏形式称为催化精馏,是近几十年发展起来的一种新的化工技术,具有能耗低、操作简单、投资少等优点。本文对酯交换法制备醋酸正丁酯的催化精馏过程进行了实验和模拟研究,主要研究内容如下: 在间歇搅拌釜式反应器中测定了NKC-9型强酸性阳离子交换树脂催化的醋酸甲酯与正丁醇的酯交换反应动力学,考察影响反应速率的各种因素的影响,得出了该反应的拟均相动力学模型。 自行设计制作了催化反应段并建立了催化精馏实验装置,进行了该酯交换反应的催化精馏实验研究,并考察了操作条件对醋酸甲酯转化率的影响。 建立了催化精馏过程的非平衡级稳态模型,采用Newton同伦连续法进行模型的求解。并通过模拟结果与实验结果的对比验证了模型的准确性,应用模型系统分析催化精馏过程的稳态特性,考察了回流比、原料摩尔比、进料量、反应段内催化剂的用量和反应段级数对醋酸甲酯转化率影响。本文还将模拟结果与Katpak-s和Katapak-sp型催化剂装填方式进行比较,结果表明本文开发的催化反应段更有利于化学反应的进行,因此醋酸甲酯转化率显著高于文献值;文中还将模拟结果与著名的过程模拟软件ASPEN Plus和PROⅡ的模拟结果进行对比,结果表明本文建立的非平衡级模型由于避开了填料等板高度的计算,因而比软件模型中使用的平衡级模型更为合理,其计算结果也与实验值更为接近。 采用VOF法,建立了催化反应段的二维CFD模型,对装填催化剂的部分使用多孔介质模型,考察了不同液体入口流速和气体入口流速下反应段内的相分布,计算结果显示液体入口速度为0.06m/s时,反应段内的催化剂完全浸泡在液体中,有利于化学反应的进行。通过对反应段的三维CFD模型的研究得出了反应段内的速度分布和压强分布,模拟结果显示液体在多孔介质区域流速很低,从而为反应段内的液体提供了与催化剂足够长的接触时间。


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