均酐酯化反应工艺研究与千吨级工程设计

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均苯四甲酸四异辛酯(TOPM)是一种安全环保的新型高端增塑剂,与传统的邻/间苯二甲酸异辛酯(DOP/DOIP)增塑剂相比,TOPM具有更好的耐高温性、抗迁移性和分子稳定性,在医用耗材、特高压电缆、储能设备等高端化学制品行业中已有广泛应用。由于未解决TOPM工业化生产过程中的诸多关键性工艺问题,我国尚未有TOPM规模化生产装置,是制约我国现代煤化工和石油化工发展的“卡脖子”技术之一。本工作选用课题组自主开发并在相关工业装置中应用的固体酸催化剂,针对均酐与异辛醇连续酯化制备TOPM的多相催化反应工艺进行研究,重点考察了均酐与异辛醇在间歇釜式反应器、连续釜式反应器、固定床反应器以及催化精馏反应器中的反应行为和工艺条件,为TOPM的工业连续放大生产提供理论指导和设计思路。主要研究内容和结果如下:1、在间歇釜式反应器中考察多相催化反应工艺条件下均酐与异辛醇酯化制备TOPM的可行性,并进行单因素条件优化:当催化剂装填量为均酐质量的5 wt%、酐醇摩尔比为1:7、反应温度为210℃时,均苯四甲酸酐的转化率达到99.80%。进一步对均酐酯化反应过程的动力学特征进行研究,获得均酐酯化过程的活化能EA=111.663 KJ/mol。在此基础上分别对邻苯二甲酸酐、偏苯三甲酸酐与异辛醇的酯化反应动力学参数进行求取,通过反应动力学的比较研究揭示了均酐酯化过程放大的优势。2、设计基于连续釜式反应器(CSTR)的均酐酯化反应工艺流程,实现TOPM的连续化合成,并通过单因素实验得到最佳的工况条件。选用五级连续酯化釜,催化剂级配装填(0,5,10,15,20)g,预反应酐醇摩尔比为1:7,反应温度为210℃,进液流量为7 m L/min,稳定10 h,第五级釜采出产品酯化率维持在99.25~99.36%。为工程设计提供基本数据参考。3、对TOPM的固定床酯化工艺与催化精馏反应工艺进行探究,实验结果表明:1)固定床反应工艺的平衡转化率为75.6%,受热力学平衡限制无法继续提高;2)催化精馏反应工艺的塔顶产品分布不受控制,此两种反应工艺均不适合进行工程放大。4、依据实验室实验情况并结合实验论证结果,进行1000 t/a均酐酯化合成TOPM的中试设计,该中试设计包括中试工艺流程设计、初步物料衡算、主要设备设计,并用CAD绘制了带控制点的工艺流程图。
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