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反应精馏合成丙二醇单甲醚醋酸酯过程研究

董晓莲  
【摘要】:丙二醇单甲醚醋酸酯(PMA)是一种具有芳香味的无色透明液体,是一种重要的工业溶剂,被广泛应用于涂料、印刷、印染、农药等领域。PMA作为溶剂具有环保性能好、热稳定性优良、粘度随温度变化小、毒性低等优点,PMA的需求量越来越大。目前,工业上所用的PMA主要以丙二醇单甲醚(PM)和醋酸为原料在浓硫酸的催化作用下直接酯化得到的,该法存在设备容易被腐蚀,污染严重,后续处理复杂,产品酸值过高等问题。本课题提出一种以PM和醋酸甲酯(MeAc)为原料,采用反应精馏的方法合成PMA新工艺。主要研究内容如下:(1)采用改进的Othmer平衡釜测定了PM和PMA不同温度下的饱和蒸汽压,采用Origin关联获得安托因常数,并应用Clausius-Clapeyron方程计算出所测温度范围内PM和PMA的摩尔蒸发热。同时还测定了文献未报道的四对二元体系PM+PMA、MeAc+PM、MeOH+PMA、MeAc+PMA以及四元体系MeAc +MeOH+PM+PMA的等压(101.3 kPa)汽液相平衡数据。二元体系汽液相平衡数据分别采用NRTL和Wilson两种活度系数模型进行关联,得到相应的二元交互参数。结合实验得到的NRTL和Wilson二元交互参数与文献中MeAc+ MeOH和MeOH+PM二元交互参数预测四元体系的等压汽液相平衡数据,预测结果与实验值吻合较好,其中Wilson模型的预测效果更好。(2)在间歇搅拌反应釜中,以PM、MeAc为原料,甲醇钠为催化剂对酯交换合成PMA的反应动力学进行研究。考察反应温度、酯醚摩尔比和催化剂用量对反应过程的影响,根据推测的反应机理建立相应动力学模型,并用MatLab编程计算反应速率常数、活化能等动力学模型参数。实验结果表明,该酯交换反应PM的转化率随酯醚摩尔比的增大而增加,随温度的升高而增加,计算得到的反应热△Hr0=42.95kJ/mol为吸热反应,反应活化能Ea=50.58kJ/mol.(3)在自制的反应精馏塔中对PM和MeAc酯交换合成的PMA工艺进行了研究,考察反应时间、催化剂用量以及酯醚摩尔比对反应精馏过程的影响。实验结果表明当回流比调节方式为:自塔顶有回流起先全回流0.5 h,在R=2条件下塔顶采出2 h,反应进行到2.5 h后由于塔顶温度过高全回流约0.5 h,再以R=3采出至反应结束时。反应精馏适宜的工艺条件:催化剂甲醇钠质量为反应物总质量的0.5%;MeAc和PM摩尔比为6:1~7:1;反应时间约5 h,在此工艺条件下PM的转化率能达到89%以上。


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