树脂固体酸催化剂应用于尿囊素合成研究

论文摘要

为了改善传统尿囊素合成工艺采用无机酸催化剂带来的污染环境、产率低、产品品质低等缺陷,本文采用强酸性阳离子交换树脂固体酸作催化剂用于尿囊素的合成。论文对影响反应催化活性的因素进行了探讨,并重点研究适合工业应用的最佳工艺条件和树脂固体酸的反应动力学特性,同时对催化剂失活机理进行了探索。 本文首先比较了凝胶型树脂、大孔型树脂、HZSM—5这三类催化剂的催化活性,结果表明大孔型树脂催化活性最佳。进一步比较五种大孔型树脂R-1、R-2、R-3、R-4、R-5的催化活性,确定R-2催化活性最佳。研究结果表明:影响大孔型树脂催化活性最重要的因素为酸交换容量。催化剂用金属离子修饰后,增加的路易斯酸位由于酸强度过高其催化活性反而降低,本反应要求阳离子交换树脂有一个合适酸强度。 以R-2为最佳催化剂,研究催化剂用量、反应物配比、温度、反应时间对缩合反应的影响。结果表明:温度是影响乙醛酸转化率与产率最重要的因素。最优化工艺条件为:尿素与乙醛酸摩尔比4:1,反应温度70℃,反应时间9h,催化剂:乙醛酸=46.02mg mmol-1,最高产率可达67.7%。 在温度55～70℃范围内,以R-2为催化剂,通过筛选四种动力学模型,结果发现尿囊素的生成速率由尿囊素脱附过程为控制步骤。尿囊素生成速率r1与乙醛酸消耗速率r模型方程分别为: 其中k=3.45×105exp（-5.0942×104/RT）,K=3.128×1022exp（-13.8097×104/RT）k=3.45×105exp（-5.0942×104/RT）,K′=1.77×1024exp（-14.7993×104/RT）动力学模型方程与试验结果相对误差小于2.22%,能够满足工程设计与开发的需要。 对催化剂寿命与失活机理研究表明,失活原因在于尿囊素与活性点磺酸基反应,难于脱附覆盖了活性点造成。用酸洗使催化剂再生,可以重新使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 乙醛酸及尿囊素的性质
• 2.2 尿囊素的合成方法及研究进展
• 2.3 尿素乙醛酸缩合反应催化剂研究进展
• 2.4 影响强酸型阳离子交换树脂催化活性的因素
• 2.5 反应机理及其动力学方程
• 2.6 本课题的研究任务
• 第三章 树脂催化剂用于尿囊素合成工艺的研究
• 3.1 实验部分
• 3.2 固体酸催化剂的筛选
• 3.3 催化剂的改性
• 3.4 工艺条件优化
• 3.5 催化剂寿命与再生研究
• 3.6 产品分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 树脂催化剂用于合成尿囊素动力学研究
• 4.1 实验数据分析
• 4.2 动力学模型
• 4.3 反应速率常数、平衡常数以及活化能、反应焓求解
• 4.4 动力学方程的检验
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢