甘油与碳酸二甲酯反应精馏合成甘油碳酸酯过程研究

摘要

反应精馏是一种耦合了反应和精馏过程的工艺，非常适用于甘油（GL）和碳酸二甲酯（DMC）酯交换反应合成甘油碳酸酯（GC）。反应精馏技术的难点是对精馏塔内催化动力学的研究和对反应精馏塔的Aspen plus流程模拟。KNO3/CaO/Al2O3系列催化剂是一种比较理想的工业催化剂，具有较高的催化活性、很好的机械强度和较好抗失活能力，有很好的工业化前景。
　　本文首先按照一定的原料配比制备了KNO3/CaO/Al2O3成型催化剂，并在实验室条件下，使用一个150ml三口烧瓶模拟工业中间歇反应器用于催化GL和DMC酯交换反应合成GC，并进行了相关工艺条件的优化和对此催化过程本征动力学的研究。结果表明对于 KNO3/CaO/Al2O3催化剂，在 DMC:GL摩尔比3:1、催化剂/GL摩尔比0.1（以CaO为基准）、催化剂摩尔数低于80目、反应温度75℃的条件下，反应3h后 GL转化率达到99.54％、GC产率达到88.16%。依据朗缪尔等温吸附理论，推导建立了反应动力学模型，建立起了反应动力学模型较好的匹配了实验结果，为反应精馏过程的模拟提供了必要的动力学数据。
　　使用Aspen plus软件对反应精馏过程进行了模拟，并对反应精馏工艺中的关键参数如反应段高度、进料位置、塔釜温度等进行了研究，反应精馏塔成功收敛，结果表明塔釜中GC的浓度可达90%以上，对比传统工艺中的反应釜加精馏塔设备有节能、高纯度等优点，为工业化应用提供了一定的参考依据。

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1 文献综述

1.1 引言

1.2 甘油碳酸酯的合成研究现状

1.2.1 甘油与二氧化碳合成GC

1.2.2 GL和尿素醇解反应

1.2.3 甘油与DMC酯交换反应合成GC

1.3 动力学研究

1.3.1 酯交换反应催化反应动力学研究方法

1.3.2 酯交换反应动力学过程的工艺条件

1.3.3 扩散因素的排除和动力学模型的建立

1.4反应精馏技术及Aspen plus软件

1.5 选题依据与研究内容

2.实验部分

2.1 催化剂本征动力学实验

2.1.1 实验主要试剂及主要仪器与设备

2.1.2 用于动力学研究的KNO3/CaO/AL2O3催化剂制备

2.1.3 动力学催化剂活性评价

2.1.4 分析样品制备

2.1.5 样品分析

2.2 动力学模型的建立和数据拟合

2.2.1本征动力学方程的建立

2.2.2 数据拟合方法

3 结果与讨论

3.1动力学反应工艺条件的优化和动力学模型拟合

3.1.1 酯交换反应内外扩散影响的排除

3.1.2 反应温度与反应时间的影响

3.1.3 催化剂浓度的影响

3.1.4 反应物摩尔配比的影响

3.1.5 酯交换动力学模型

3.1.6 Aspen内置LHHW动力学模型参数的获得

3.2Aspen plus模拟反应精馏

3.2.1 物性数据的估算

3.2.3 使用Ratefrac模型模拟反应精馏流程

4.总结

致谢

参考文献

硕士期间发表论文