强酸性阳离子交换树脂催化合成乳酸乙酯及动力学研究

摘要

乳酸乙酯作为基础的有机化工原料，在工业领域应用广泛。乳酸乙酯是一类优良的绿色溶剂，对环境友好，可取代对环境污染严重的溶剂。当前乳酸乙酯的生产主要是以浓硫酸作为催化剂，采用乙醇与乳酸为原料的传统酯化工艺。传统的酯化工艺使用浓硫酸作催化剂存在易发生副反应、严重腐蚀设备等缺点，寻求一种能取代浓硫酸且对环境友好的酯化催化剂一直是目前研究的热点之一。
　　 强酸性阳离子交换树脂作为固体酸的一种，是一类目前备受关注的环境友好型酯化反应催化剂，其具有不易挥发、催化效率高、可多次重复使用等优点。本论文做了强酸性阳离子交换树脂作催化剂催化合成乳酸乙酯的研究。对四种典型的强酸性阳离子交换树脂的催化性能进行了研究，筛选出了对乳酸乙酯催化性能较好的D072型强酸性阳离子树脂。
　　 研究了酸醇比、反应时间、反应温度、催化剂加入量、分水剂等因素对乳酸乙酯合成的影响，实验结果表明：在乳酸与乙醇摩尔比为0.5:2，沸腾状态下反应，催化剂以乳酸质量的10%投料，反应180min的条件下，乳酸转化率达到72.53%。
　　 在间歇釜式反应器中，研究D072型强酸性离子交换树脂作催化剂合成乳酸乙酯的反应动力学。在消除内外扩散的条件下，测定了不同催化剂用量和不同反应温度条件下反应体系中乳酸浓度随反应时间的变化，按拟均相二级可逆反应，并采用初始反应速率法求取动力学模型参数。在催化剂与乳酸的质量比为1%～5%，温度为323.15K～363.15K和常压的条件下，得到动力学方程的频率因子为967.59L·(mol·min)-1，活化能为35606.55J·mol-1。其动力学表达式可表示为：-rHL=α(x)k0e-Eα/RT(CHLCEtOH-CELCW/K)=X0.5052×967.59× e(-3506.55/RT)(CHL CEtoH-CELCW/0.4152)(mol·L-1·min-1)。
　　 实验研究结果为强酸性阳离子交换树脂用于乳酸乙酯的工业化生产提供了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章 文献综述

1.1 乳酸乙酯理化性质

1.2 乳酸乙酯的应用和生产

1.2.1 乳酸乙酯的应用

1.2.2 乳酸乙酯的工业合成

1.3 乳酸乙酯合成国内外研究现状

1.3.1 催化剂研究进展

1.3.2 乳酸乙酯生产工艺研究进展

1.4 本课题研究的内容和意义

第二章 强酸性阳离子交换树脂的选择

2.1 概述

2.2 催化剂筛选试验

2.2.1 实验试剂材料

2.2.2 实验仪器和装置

2.2.3 实验步骤

2.2.4 分析方法

2.2.5 强酸性阳离子交换树脂催化剂的性能分析

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 无催化剂存在下乳酸与乙醇的酯化反应

2.3.2 强酸性离子交换树脂催化剂的红外光谱分析

2.3.3 强酸性离子交换树脂催化剂的选择

2.4 本章小结

第三章 强酸性离子交换树脂催化合成乳酸乙酯反应动力学研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂和仪器

3.2.2 实验方法及步骤

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 反应中内外扩散影响的消除

3.3.2 强酸性离子交换树脂催化合成乳酸乙酯化学动力学方程的求取

3.4 动力学方程的验证

3.5 本章小结

第四章 阳离子交换树脂催化合成乳酸乙酯工艺的研究

4.1 概述

4.2 间歇式酯化反应实验装置及方法

4.2.1 实验仪器和装置

4.2.2 实验试剂材料

4.2.3 实验步骤

4.2.4 分析方法

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 带水剂对乳酸转化率的影响

4.3.2 催化剂用量对乳酸转化率的影响

4.3.3 酸醇比对乳酸转化率的影响

4.3.4 反应时间对乳酸转化率的影响

4.3.5 催化剂重复使用实验

4.3.6 产物提纯及分析

4.4 本章小结

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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