基于结构化催化填料的酯化体系反应精馏过程概念设计

摘要

反应精馏技术作为化工过程强化的重要手段之一，通过将反应和精馏两个单元操作耦合在一个设备中进行，相互促进，大幅度提高两个过程的效率，降低过程能耗以及设备投资。然而由于反应精馏塔内反应和传质复杂的耦合作用，极大增加了反应精馏过程设计的难度，因此需要发展一种能够进行可行性分析和概念设计的方法来避免造成由于设计不当而导致反应精馏过程的失败。 过程可行性分析与催化分离元件是反应精馏开发过程中两个关键问题，一直是学术界和工业界研究探索开发该技术的瓶颈。酯化反应是一类受化学平衡限制较严重而非常适合采用反应精馏技术进行强化的典型体系，由于酯化反应种类繁多、情况复杂，缺乏系统的设计方法，导致适合各反应体系的催化分离元件差异较大，因此其工业应用也受到一定程度的限制。本文针对上述问题主要开展以下研究内容： 1）在原有图解法的基础上，详细分析推导了剩余曲线方程，并采用Matlab软件进行了模型构建与求解。同时引入了奇异点、分离空间以及分离边界等概念，推导了剩余曲线以及反应剩余曲线等基本设计方程以及模型，并对其可行性分析规则与概念设计方法进行了详细论述。 2）在间歇釜式反应器中采用负载HZSM-5分子筛的SiC结构化催化剂测定了乙酸与正戊醇酯化反应的反应动力学和反应平衡常数。在消除内外扩散影响的情况下，考察了催化剂浓度、反应温度和反应进料酸醇摩尔比对反应速率的影响，并采用拟均相反应模型对动力学数据进行了拟合。平衡常数结果表明反应焓为正值，反应是吸热反应。进一步在管式反应器中针对结构化催化填料考察了反应温度、进料流量对反应速率的影响，在此基础上提出了结构化催化剂在管式反应器中的效率因子，并得到了存在外扩散作用时结构化催化填料的反应动力学方程。 3）依据本文提出的反应剩余曲线法，并针对研究体系采用较合适的相平衡热力学和反应动力学模型，针对丙酸丙酯和乙酸正戊酯两个典型的酯化反应体系进行可行性分析与概念设计，确定过程的可行性、分离空间、分离边界，并进行了初步的概念设计。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 反应精馏

1.2 反应精馏可行性分析及概念设计方法

1.3 酯化体系的研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第2章 反应精馏概念设计-反应剩余曲线法

2.1 反应精馏概念设计所用工具

2.2 反应剩余曲线法基础

2.3 剩余曲线法（RCM）

2.4 剩余曲线与反应剩余曲线模型构建

2.5 本章小结

第3章 基于结构催化剂的酯化反应动力学研究

3.1 实验部分

3.2 结果分析与讨论

3.3 本章小结

第4章 酯化体系反应精馏过程设计实例

4.1 乙酸正戊酯反应体系

4.2 丙酸丙酯反应体系

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢