滲透汽化-2-KLG甲酯化反應(yīng)膜集成工藝的研究.pdf

1、滲透汽化(PV)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型膜分離技術(shù),為純物理過程無需添加化學(xué)試劑,無污染環(huán)境,容易與生化及化學(xué)反應(yīng)過程相集成,工藝先進(jìn)、能耗低和極高的分離效率,在食品、制藥等精細(xì)化工領(lǐng)域和石油化工領(lǐng)域中正逐步取代傳統(tǒng)的蒸餾與精餾等分離過程。 傳統(tǒng)2-酮基-L-古龍酸(2-KLG)甲酯化反應(yīng)是在濃硫酸的催化作用下,2-KLG和甲醇(MeOH)在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行回流酯化生成2-酮基-L-古龍酸甲酯(2-Me-KLG)。由于反

2、應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物--水抑制酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率,工業(yè)中常常以加熱蒸出甲醇同時(shí)挾帶水的方法除水。該工藝存在反應(yīng)時(shí)間長、投入大、能耗高、酯產(chǎn)率低、產(chǎn)品純度低以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。 近年來,滲透汽化-酯化反應(yīng)集成技術(shù)已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。滲透汽化脫水技術(shù)與酯化反應(yīng)過程相結(jié)合的集成技術(shù),能選擇性地去除酯化反應(yīng)體系中的水,促進(jìn)酯化反應(yīng)向產(chǎn)物方向進(jìn)行,提高反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率。膜集成技術(shù)的工藝設(shè)備簡單,操作方便,易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 本論

3、文針對PV-2-KLG甲酯化反應(yīng)膜集成工藝進(jìn)行了一系列的研究工作。對德國SULZER公司的具有優(yōu)良選擇性的商業(yè)脫水膜PERVAP(R)2201與PERVAP(R)2510進(jìn)行PV性能測試,選取適合于2-KLG甲酯化反應(yīng)體系的PV膜,并進(jìn)行膜集成2-KLG甲酯化反應(yīng),考察操作溫度(T)、初始料液醇酸質(zhì)量比(R0)、膜面積(A)與進(jìn)料流量(Vs)對膜集成工藝中酯化反應(yīng)與PV膜分離性能的影響。 通過以二元體系(MeOH/H2O)與四元

4、體系(2-KLG/2-Me-KLG/MeOH/H2O)為料液進(jìn)行滲透汽化實(shí)驗(yàn),測試PV膜的性能,優(yōu)選出膜PERVAP(R)2201用于膜集成2-KLG甲酯化反應(yīng)體系。膜集成2-KLG甲酯化工藝的酯轉(zhuǎn)率(η)從實(shí)驗(yàn)室常規(guī)酯化反應(yīng)的77.73％提高至99.06％,酯化反應(yīng)趨于完全；同時(shí)PERVAP(R)2201膜的J為125～225g/m2·h,wP-H2O大于85wt％,滲透液中始終未檢測出2-KLG與2-Me-KLG。結(jié)果表明,PERV

5、AP(R)2201膜在實(shí)際2-KLG甲酯化反應(yīng)液中具有良好的脫水效果及化學(xué)穩(wěn)定性,PV-2-KLG甲酯化反應(yīng)膜集成工藝具有明顯的優(yōu)越性。 考察PV-2-KLG甲酯化反應(yīng)膜集成工藝參數(shù)——T、R0、A、Vs對2-KLG甲酯化反應(yīng)及PV膜分離性能的影響,實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)： (1) T對膜集成2-KLG甲酯化反應(yīng)及PV膜分離性能都有明顯的影響。提高T可提高酯化反應(yīng)的η,增大PV膜的J。 (2) R0直接影響2-KLG甲酯化

6、反應(yīng),并通過酯化反應(yīng)液中水的摩爾濃度(cR-H2O)間接的影響PV膜的分離性能。R0增大,即加大初始料液中甲醇的投加量,η值隨之增大并趨近于100％,cR-H2O值與PV膜的J值則先上升后下降。 (3) A直接影響到PV膜集成甲酯化反應(yīng)體系中水的總脫除量,對2-KLG甲酯化反應(yīng)的影響表現(xiàn)為CR-H20值的急劇下降。 (4) 提高Vs可削弱濃差極化的影響,增大PV膜的J,即增加了反應(yīng)體系中水的脫除量,降低了CR-H2O,提

7、高了η。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)Vs為100L/h時(shí),PV膜集成2-KLG甲酯化反應(yīng)的η達(dá)99.93％、CR-H2O為1.39mol·L-1,PV膜的平均滲透通量為182.76g/m2·h、WP-H2O為86.89wt％。 (5) 通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合回歸,建立了PV膜集成2-KLG甲酯化反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式： ① PV膜的水滲透通量： Jw＝13.8114 CR-H2O+107.3112,R2=0.9817 ② PV膜的脫水速

8、率： vPV=1/3600×JwA/18V=1/3600×JwA/18×1/V0-∫10JwAdt-10.793∫10JMAdt ③ PV膜集成2-KLG甲酯化反應(yīng)的酯轉(zhuǎn)化率： dη/dt=κι(1-η)[97/16R0X(1-η)c0-JMAt/32V0]-κ2η[(97/91+η)Xc0-JwAt/18V0] 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究表明的高酯產(chǎn)率和PV膜過程的高脫水效果的研究結(jié)果,為Vc工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用PV-2-KLG甲酯化