论文总字数：16456字

摘 要

酯化反应是重要的精细化工过程，合成的酯类物质广泛应用于溶剂、涂料、粘合剂、药物和化妆品等方面。酯化反应的瓶颈问题是反应速率慢和平衡转化率低。

本实验提出渗透汽化与乙酸和异丙醇酯化反应耦合过程的新思路，研究了耦合过程对酯化反应和催化剂的影响。首先考察了T型膜分离水/异丙醇溶液的性能中，结果表明T型膜具有良好的分离性能。

然后将渗透汽化与乙酸和异丙醇酯化反应进行耦合，反应4 h时，乙酸异丙酯的收率由非耦合时的62.5 %提高到75.4 %，即采用渗透汽化耦合能打破原有的化学平衡，使反应不断地向生成酯的方向进行。通过研究耦合过程中，催化剂用量、反应温度、醇酸摩尔比以及有效膜面积与初始反应液质量比对酯收率、膜通量的影响，得出耦合过程的最佳反应条件：反应温度100 ℃，催化剂用量3 wt%，醇酸摩尔比2:1，A_m/m为0.063 m²/kg，收率达到90.8%。

关键词：乙酸 异丙醇 酯化 渗透汽化

Pervaporation aided esterification of acetic acid and 2-propanol

Abstract

Esterification is a very important reaction for fine chemicals. The esters are widely used in solvents, coatings, adhesives, pharmaceuticals, cosmetics and so on. The reaction rate of esterification was slow and the equilibrium conversion was low, which have been the bottleneck problem of the reaction.

This paper proposes the new idea on the esterification of acetic acid and 2-propanol coupled with pervaporation (PV). The zeolite T membrane was characterized by the PV experiments with water/2-propanol mixture. The characterization results demonstrated the effectiveness of zeolite T membrane for the removal of water by PV.

The yield of 2-propyl acetate increased from 62.5% to 75.4% in 4 h. It presented that the esterification facilitated by PV could break the equilibrium due to the online removal of the produced water from the reaction mixture. The effects of the catalyst loading, reaction temperature, initial molar ratio of reactants and the membrane area to initial mass of the mixture on the esterification coupled with PV were investigated. It was found that these operation conditions had a significant effect on the conversion of the reaction and the permeate flux, and the optimized conditions were catalyst loading 3 wt%, reaction temperature 100 ℃, initial molar ratio of reactant 2:1 and A_m/m 0.063 m²/kg, and the final yield of 2-propyl acetate was 90.8%.

Key words: Acetic acid; 2-propanol; Esterification; Pervaporation

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章 文献综述 1

1.1 乙酸异丙酯的性质 1

1.2 乙酸异丙酯的用途 1

1.3 乙酸异丙酯的生产方法 1

1.4 酯化反应催化剂研究现状 2

1.4.1 无机酸 2

1.4.2 分子筛催化剂 2

1.4.3 固体超强酸催化剂 3

1.4.4 离子交换树脂催化剂 3

1.4.5 杂多酸催化剂 4

1.5 酯化反应强化方法 4

1.5.1 反应精馏 4

1.5.2 反应与膜分离耦合 5

1.6 渗透汽化简介 5

1.6.1 渗透汽化发展简史 5

1.6.2 渗透汽化分离原理 5

1.6.3 渗透汽化在酯化反应中的应用 6

1.7 本课题研究目的和内容 6

1.7.1 研究目的 6

1.7.2 研究内容 7

第二章 渗透汽化耦合用于乙酸和异丙醇酯化反应的研究 8

2.1 引言 8

2.2 实验部分 8

2.2.1 实验原料及仪器 8

2.2.2 实验装置及步骤 9

2.2.3 酯化反应 10

2.3 结果与讨论 11

2.3.1 酯化反应与渗透汽化耦合实验 11

2.3.2 反应条件对耦合过程的影响 12

2.4 本章小结 18

第三章 结论与展望 19

3.1 结论 19

3.2 展望 19

参考文献 20

致 谢 22

1. 文献综述

1.1 乙酸异丙酯的性质

乙酸异丙酯，英文名称isopropyl acetate ，中文别名醋酸异丙酯，英文别名acetic acid ，isopropyl ester，分子式C₅H₁₀O₂，分子量102.15；无色透明液体，有愉快水果香气；易燃，其蒸气与空气混合，能形成爆炸性混合物，微溶于水，可混溶于醇、酮、醚等多数溶剂。熔点-73 ℃，沸点88.4 ℃；相对密度0.87 (水=1)；饱和蒸气压5.8 kPa (20 ℃)；与皮肤接触用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤，与眼睛接触，提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，就医；吸入需脱离现场至空气新鲜处，如呼吸困难，给输氧或就医；食入需饮足量温水，催吐或就医；其有害燃烧产物为一氧化碳、二氧化碳。灭火方法尽可能将容器从火场移至空旷处，喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束，采用灭火剂为泡沫、二氧化碳、干粉、砂土。

1.2 乙酸异丙酯的用途

乙酸异丙酯，是一种重要的羧酸酯类化工产品。对多种合成树脂有优良的溶解能力，它既可与水混溶，又可与有机溶剂混溶，因此有“万能溶剂”与“未来溶剂”之称。可用作色谱分析的标准物质，还可用作涂料、印刷油墨等的溶剂，是工业上常用的脱水剂、药物提取剂、萃取剂、香料组分及食品调味剂^[1-2]。

1.3 乙酸异丙酯的生产方法

传统生产乙酸异丙酯的方法是采用硫酸作催化剂的直接酯化法，但硫酸催化酯化法存在诸如设备腐蚀严重、副反应多、后处理工艺复杂、废液排放量大等问题。近年来，很多研究者在寻找更合适的催化剂用于反应精馏工艺生产乙酸异丙酯，如用酸性阳离子交换树脂、分子筛、杂多酸和固体超强酸等，取得了一定的成果，但真正实现工业化的较少。虽然采用固体酸代替硫酸的研究较多，却由于固体酸催化剂在酯化釜内容易粉化以及杂质积累而降低催化效果，而且催化剂制作复杂，能够真正工业化应用的并不多。实际上，阳离子交换树脂催化剂由于不溶于反应体系，能够重复使用，易于分离、回收和再生等优点，在工业上得到了较为广泛的应用^[3-4]。

1.4 酯化反应催化剂研究现状

酯化反应是重要的化工过程，目前有关酯化反应催化剂的研究较多，常用的催化剂包括无机酸、分子筛催化剂、固体超强酸、离子交换树脂以及杂多酸等。

1.4.1 无机酸

无机酸是酯化反应的传统催化剂。一般的无机酸有浓硫酸、HCl、H₃PO₄等。以浓硫酸为催化剂，副产物多、对设备有严重腐蚀，反应后提取分离工艺冗杂，与产物难分离，形成大量废酸污染环境。2009年我国废硫酸的排放量约1000万吨，其中6%来自于酯化工业，并且每年以8%的速度增长，不仅浪费了大量的资源，而且造成严重的环境污染。而以HCl为催化剂，容易发生氯置换醇中的羟基；以H₃PO₄为催化剂，反应速度显著变慢。

1.4.2 分子筛催化剂

分子筛是以SiO₂和Al₂O₃为主要成分的结晶硅铝酸盐，是一类具有一定骨架结构的微孔晶体结构。分子筛催化剂骨架结构中的羟基是酸性中心的主要来源，表现为质子酸和路易斯酸。

Viswanadham等^[5]合成纳米H-ZSM-5分子筛催化剂用于催化环己醇和乙酸酯化反应，并与商业化的H-ZSM-5和β分子筛的催化活性进行比较，研究发现纳米H-ZSM-5催化活性高于商业化的H-ZSM-5，略低于β分子筛。Gokulakrishnan等^[6]合成了不同硅铝比Al-MCM-41，用于乙酸和异丙醇的酯化反应中，考察了硅铝比、反应温度、时间、醇酸摩尔比、催化剂用量等反应条件对反应的影响，并在相同的反应条件下与HY分子筛以及H丝光沸石进行比较。实验结果表明，当硅铝比为30时，催化剂活性最高，且催化剂的疏水性也会影响反应。分子筛催化剂具备比表面积大，能高温使用以及易回收等优点，但容易积碳失活，需活化后才能重复利用。

1.4.3 固体超强酸催化剂

固体超强酸是指酸强度比100%H₂SO₄更强的固体酸，由于其酸性强和固体催化剂的特点，得到研究者们的重视。相比于液体酸，其具备易回收、后处理简单、不腐蚀设备以及选择性高等特点。

请支付后下载全文，论文总字数：16456字