邻苯二甲酸二甲酯合成工艺的反应工程学研究

论文摘要

邻苯二甲酸二甲酯（DMP）是一种对多种树脂都有很强溶解能力的增塑剂,可添加于纤维素树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯树脂中,在建筑材料、涂料、杀虫剂和化妆品等很多方面都有广泛的应用。目前国内DMP的主流生产路线以邻苯二甲酸酐和甲醇为原料,浓硫酸为催化剂,采用搅拌釜式反应器的间歇工艺,生产规模和效率都不能令人满意,亟待技术升级。本文综合考虑振荡流反应器优秀的混合性能与降膜蒸发器的节能优势,提出了采用振荡流反应器与降膜蒸发器组合单元的多级串联连续化生产工艺。并通过搅拌釜式反应器与减压蒸馏器组合单元的时间序列模拟连续化工艺过程的空间序列进行了实验研究。结果表明,通过五级或是六级串联反应可以将最终混合物的酸值降至符合工业优质品的要求。从而证明了所提出的连续化新工艺具有可行性。尽管硫酸催化邻苯二甲酸酐和甲醇反应合成DMP已实现了规模化工业应用,但仍未见有关该反应的动力学定量研究结果发表。如进行连续化工艺的设计和优化,则缺少进行反应器设计和过程分析所需的反应动力学参数,这已经成为影响邻苯二甲酸二甲酯合成工艺开发或优化的关键因素。本文通过大量实验测定了353.15K-383.15K温度范围和0.2%-0.9%硫酸浓度范围内的组分浓度随时间变化的数据,采用数值方法得到反应速率-组分浓度-催化剂浓度-温度之间的数值关系,再运用统计分析的方法导出合理的反应级数、平衡常数、反应速率、指前因子和活化能与催化剂浓度和温度之间的函数关系,从而建立了完整的宏观动力学模型的定量表达式。本文利用带二次流区的全混腔室和室间返混的多釜串联模型（SMTSIB）和上述宏观动力学模型对三级组合单元串联合成DMP进行了数值模拟,在一定的反应温度及催化剂浓度下,当振荡频率为2.8Hz,振幅为3mm,总的停留时间为364.25min时,邻苯二甲酸单甲酯的转化率为89.84%。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 研究背景
• 1.1 邻苯二甲酸二甲酯简介
• 1.2 邻苯二甲酸二甲酯生产工艺
• 1.3 其它邻苯二甲酸酯类的改进生产工艺
• 1.3.1 邻苯二甲酸二丁酯（DBP）改进的间歇生产新工艺
• 1.3.2 邻苯二甲酸二丁酯（DBP）连续化生产工艺
• 1.3.3 邻苯二甲酸二异辛酯的反应精馏工艺
• 1.4 邻苯二甲酸酯类的反应动力学研究
• 1.5 振荡流反应器
• 1.5.1 振荡流反应器结构研究
• 1.5.2 振荡流反应器的优点
• 1.5.3 振荡流反应器在化学反应器中应用
• 1.6 降膜蒸发器
• 1.6.1 降膜蒸发器的结构及原理
• 1.6.2 降膜蒸发器在工业中的应用
• 2 研究课题的原因及意义
• 3 邻苯二甲酸二甲酯连续生产新工艺的可行性研究
• 3.1 新工艺的提出
• 3.2 新工艺的可行性实验
• 3.2.1 间歇实验装置设计
• 3.2.2 实验仪器与药品
• 3.2.3 实验分析方法
• 3.2.4 实验数据处理
• 3.3 间歇实验小结
• 4 硫酸催化体系的动力学实验与模型
• 4.1 硫酸催化剂的配制
• 4.2 实验体系评价
• 4.2.1 实验装置的设计
• 4.2.2 实验仪器与药品
• 4.2.3 实验的分析方法
• 4.3 实验计时起点选择
• 4.4 反应体系的温度控制
• 4.5 反应体系体积的变化——恒容假定验证
• 4.6 反应体系原料初始配比对反应动力学的影响
• 4.7 动力学方程的建立与平衡常数的确定
• 4.8 动力学模型与数据处理
• 5 连续化新工艺的模拟研究
• 5.1 振荡流反应器流动模型简介
• 5.1.1 轴向扩散模型
• 5.1.2 多釜串联模型
• 5.1.3 带返混的多釜串联模型
• 5.1.4 SMTSIB模型
• 5.1.5 SMTDCSIIB模型
• 5.2 酯化反应模型的建立
• 5.3 模拟结果与讨论
• 6 结论
• 7 参考文献
• 附录:主要符号说明
• 作者简历及科研成果