催化反应与汽液传质相互作用及耦合研究

催化精馏(Catalytic Distillation，CD)是强化反应过程的一种有效技术方法。由于催化精馏过程的复杂性，人们对其中催化反应与汽液传质的相互作用和耦合规律认识不足，严重阻碍了这一技术在工业上的有效应用。本项目在前期构建的细粉或超细粉固体催化剂随塔中液相流动的"流化催化精馏"过程(Fluidizing Catalytic Distillation，FCD)的基础上,以乙酸与乙醇酯化反应体系为模板，研究"流化催化精馏"过程中催化反应与汽液相传质过程的相互作用规律和表达方法，液相中加入固体催化剂对填料塔流体力学性能影响，建立描述耦合过程的数学模型，并对流化催化精馏合成乙酸乙酯过程进行模拟验证。进一步加深对催化精馏过程共性规律的认识，为流化催化精馏过程设计和优化提供理论基础。本项目研究符合本学科的发展方向和广西重点产业发展要求，具有较高的学术价值和广泛的应用前景。

催化精馏是强化反应过程的一种有效技术方法。本课题以强酸性树脂细粉为催化剂，乙酸酯合成体系为模板，研究了细粉固体催化剂随塔中液相流动的"流化催化精馏"过程(Fluidizing Catalytic Distillation，FCD)。筛选出了对合成乙酸乙酸和乙酸丁酯具有良好催化性能的凝胶型强酸性树脂A，其催化活性差异性主要因—SO3H的含量和活性不同。树脂A与Fe2+ 和Mn2+结合后经酸活化，催化活性恢复较好，但与Cr3+、Cu2+ 和Ni+结合后其催化活性恢复较差；与Fe3+结合后，其催化活性有所增加。脂A重复使用15次后催化活性未见明显下降，可180℃下使用。在催化剂用量0.08g.g乙酸-1， 67.7℃，乙酸:乙醇的摩尔比为3:1，反应2小时，乙醇转化率为90%以上。当乙酸:丁醇的摩尔比为3:1，催化剂用量为乙酸加入质量的0.08g.g乙酸-1， 80.5℃，反应2小时，丁醇转化率为90%以上。在催化剂用量为0.01665~0.08333 g•gA-1，反应温度为320.5K-340.7K，获得了树脂A催化合成乙酸乙酯的拟均相动力学模型；在催化剂用量为0.01665~0.08333 g•gA-1，反应温度为336.3K -358.5K，获得了树脂A催化合成乙酸丁酯的拟均相动力学模型，两动力学模型可用于构建催化精馏过程模型。在Ф34mm流化催化蒸馏塔中，获得了液相中树脂细粉的加入对填料塔的流体力学性能和分离性能的影响规律。当液相中树脂细粉含量为4%时，塔分离能力提高约1/5。在Ф34mm的流化催化精馏塔中连续合成了乙酸乙酯。在催化剂量为0.05 g•g乙酸-1，进料乙酸与乙醇摩尔比为2.5，塔顶用99.5%酯液 “回流”，釜液循环，塔顶有机相含乙酯95.71%，乙醇1.30 %，水2.99%，几乎不含酸。乙醇单程转化率为97.35 %，乙酯收率为98.27%。