滲透汽化催化膜微反應器應用于乙酸丁酯合成的研究.pdf

1、熱力學平衡限制反應(Equilibrium-limited Reaction)是化工生產中一類重要的反應，常見的有酯化、硝化、縮酮、酰化反應等;此類反應同時還存在平衡轉化率低，副產物多，產物不易分離提純等問題。為解決上述問題，近年來，根據過程強化理念設計的滲透汽化膜反應器(Pervaporation Membrane Reactor，PVMR)受到廣泛的關注。日前，滲透汽化膜反應器的研究重點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、應器的設計理念，以乙酸、正丁醇酯化體系為探針反應，通過優(yōu)化反應器結構，精確匹配產物生成速率和移除速率，進而有效提高了微反應器酯化過程反應分離耦合效率，相比于傳統(tǒng)催化膜反應器催化酯化性能有了大幅提升。根據實驗室前期研究成果，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。通過浸沒沉淀相轉化法，制備了具有復合多層結構的滲透汽化催化膜，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行表征。
　　本研究通過優(yōu)化膜反應器結構，制備了新型滲透汽化催化膜微反應器。比較了微反應器與傳統(tǒng)膜反應器催化酯化性能的差異。研究了在一定溫度范圍內，低V/A比、高料液空速的情況下，微反應器的催化、分離以及反應分離耦合性能，同時對滲透汽化催化膜微反應器進行了長時間耦合操作的穩(wěn)定性測試。實驗結果表明:滲透汽化催化膜具有完整的多層復合結構，且催化層疏松多孔，催化劑在孔通道內

4、壁得到有效分散。各層膜結構之間緊密粘附，無剝離現(xiàn)象。滲透汽化催化膜具有較好的耐熱性能，能夠適應微反應器在適宜溫度范圍內的各項操作。在停留時間30min，料液溫度65℃時，滲透汽化微反應器對水含量5wt％的正丁醇/水二元混合物分離效果最好，經過微反應器的脫水處理，料液水含量由5.0wt％下降至1.4wt％，膜后側透過液中水含量保持在較高水平，達87.60wt％，顯示出微反應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)填充床反應器。在相同催化劑相對用量下，料液停留時間60min，反應溫度65℃時，微反應器酯化反應轉化率為15.30％，遠高于相同反應條件下填充床反應器的轉化率7.74％。在微反應器反應分離耦合過程的研究中，停留時間60min，料液溫度65℃時，酯化反應借助滲透汽化過程，酯化反應轉化率由15.30％提升至38.59％。與傳統(tǒng)滲透汽化催化膜反應器對比，微反應器的V/A比由12.74cm3/cm2降