滲透汽化催化膜微反應(yīng)器應(yīng)用于乙酸丁酯合成的研究.pdf

1、熱力學(xué)平衡限制反應(yīng)(Equilibrium-limited Reaction)是化工生產(chǎn)中一類重要的反應(yīng)，常見的有酯化、硝化、縮酮、?；磻?yīng)等;此類反應(yīng)同時(shí)還存在平衡轉(zhuǎn)化率低，副產(chǎn)物多，產(chǎn)物不易分離提純等問題。為解決上述問題，近年來，根據(jù)過程強(qiáng)化理念設(shè)計(jì)的滲透汽化膜反應(yīng)器(Pervaporation Membrane Reactor，PVMR)受到廣泛的關(guān)注。日前，滲透汽化膜反應(yīng)器的研究重點(diǎn)集中于催化劑的開發(fā)和膜性能的優(yōu)化。本文引入微反

2、應(yīng)器的設(shè)計(jì)理念，以乙酸、正丁醇酯化體系為探針反應(yīng)，通過優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，精確匹配產(chǎn)物生成速率和移除速率，進(jìn)而有效提高了微反應(yīng)器酯化過程反應(yīng)分離耦合效率，相比于傳統(tǒng)催化膜反應(yīng)器催化酯化性能有了大幅提升。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室前期研究成果，使用固體酸Zr(SO4)2·4H2O作為乙酸丁酯合成反應(yīng)催化劑，并選用親水性材料聚乙烯醇(PVA)作為滲透汽化膜材料。通過浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法，制備了具有復(fù)合多層結(jié)構(gòu)的滲透汽化催化膜，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線

3、光電子能譜(XPS)以及熱重分析(TG)等手段對滲透汽化催化膜進(jìn)行表征。
　　本研究通過優(yōu)化膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，制備了新型滲透汽化催化膜微反應(yīng)器。比較了微反應(yīng)器與傳統(tǒng)膜反應(yīng)器催化酯化性能的差異。研究了在一定溫度范圍內(nèi)，低V/A比、高料液空速的情況下，微反應(yīng)器的催化、分離以及反應(yīng)分離耦合性能，同時(shí)對滲透汽化催化膜微反應(yīng)器進(jìn)行了長時(shí)間耦合操作的穩(wěn)定性測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:滲透汽化催化膜具有完整的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，且催化層疏松多孔，催化劑在孔通道內(nèi)

4、壁得到有效分散。各層膜結(jié)構(gòu)之間緊密粘附，無剝離現(xiàn)象。滲透汽化催化膜具有較好的耐熱性能，能夠適應(yīng)微反應(yīng)器在適宜溫度范圍內(nèi)的各項(xiàng)操作。在停留時(shí)間30min，料液溫度65℃時(shí)，滲透汽化微反應(yīng)器對水含量5wt％的正丁醇/水二元混合物分離效果最好，經(jīng)過微反應(yīng)器的脫水處理，料液水含量由5.0wt％下降至1.4wt％，膜后側(cè)透過液中水含量保持在較高水平，達(dá)87.60wt％，顯示出微反應(yīng)器滲透汽化過程良好的選擇性脫水性能。在催化性能方面，催化膜微反應(yīng)器

5、巾料液與滲透汽化催化膜的接觸效率明顯高于傳統(tǒng)填充床反應(yīng)器。在相同催化劑相對用量下，料液停留時(shí)間60min，反應(yīng)溫度65℃時(shí)，微反應(yīng)器酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為15.30％，遠(yuǎn)高于相同反應(yīng)條件下填充床反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率7.74％。在微反應(yīng)器反應(yīng)分離耦合過程的研究中，停留時(shí)間60min，料液溫度65℃時(shí)，酯化反應(yīng)借助滲透汽化過程，酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率由15.30％提升至38.59％。與傳統(tǒng)滲透汽化催化膜反應(yīng)器對比，微反應(yīng)器的V/A比由12.74cm3/cm2降