催化精馏制备乳酸乙酯
第57卷第11期 化 工 学 报 Vo1.57 No.11 2006年11月 Journal of Chemical Industry and Engineering(China) November 2006 j7 催化精馏制备乳酸乙酯 高 静 ,周丽亚 ,赵学明。,黄志红 ,刘春江。 ( 河北工业大学化工学院,天津3001 30;。天津大学化工学院,天津300072) 关键词:乳酸乙酯;催化精馏;酯化反应;离 交换树脂 中图分类号:TQ 028.3 1 文献标识码:A 文章编号:0438 1157(2006)ii 2638 04 Synthesis of ethyl lactate by catalytic distillation GAO Jing 。ZHOU Liya 。ZHAO Xueming ,HUANG Zhihong ,LIU Chunj iang ( School of Chemical Engineering and Technology,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China; School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:A catalytic distillation process for the synthesis of ethyl lactate was proposed,starting from lactic acid and ethanol over ion—exchange resin catalyst.Experimental research work was carried out to investigate the effects of reflux ratio,ratio of ethanol to lactic acid,lactic acid feeding flux and feed location on ethyl lactate yield.In this experiment,the appropriate conditions were as follows:reflux ratio 1;1.molar ratio of ethanol to 1actic acid 4:1,lactic acid feeding flux 0.6284 mol・h ,feed location Doint A feed lactic acid and point H feed ethanol,and the yield of ethyl lactate reached 3 1.64 9,6.The catalytic distillation tower was simulated with ASPEN PLUS.The experiment results agreed well with simulation.The results show that the proposed method is promising for further study. Key words:ethyl lactate;catalytic distillation;esterification;ion exchange resin 士 带有苯的异味等缺点,制约了其作为绿色溶剂的广 口 泛应用.本文对催化精馏用于乳酸乙酯的生产进行 乳酸乙酯具有无毒、溶解性好、不易挥发、可 了初步研究,有关催化精馏过程的研究文献报道很 生物降解等特点,是一种极具开发价值和应用前景 多 ,而利用催化精馏技术生产乳酸乙酯的研究 的“绿色溶剂”-1].美国Argonne国家实验室利用 尚未见文献报道,因此对它的研究无论在理论上还 渗透蒸发技术合成乳酸乙酯 J,获得第三届美国 是在应用上都具有十分重要的意义. “总统绿色化学挑战年度奖”.日前国内外乳酸乙酯 生产都是以浓硫酸为催化剂、用苯作带水剂,先进 1 实验部分 行催化酯化,再精馏分离的间歇分步法,上述工艺 催化精馏塔塔内径为40 mm,塔高1100 mm, 具有设备腐蚀严重、副产物多、工艺流程长、产品 分提馏段200 mm、催化精馏段700 mm和精馏段 2005 12—11收到初稿,2006—03 16收到修改稿. Reeeived date{2005—1 2—11. 联系人及第一作者:高静(1961一), 男,博l上。教授. Corresponding author:Prof.GAO Jing.E—mail;jgao@ 基金项目:国家自然科学基会重大项 目(20036010);河北省 hebut.edu.cn 教育厅自然科学研究计划项目(2002150) Foundation item。supposed by the Major Program of National Natura1 Science Foundation of China(20036010)and the Natural Science Research Program of Hebei Education Department(2002150). 维普资讯 http://www.cqvip.com
第u期 高静等:催化精馏制备乳酸乙酯 ・2639・ 200 mm,精馏段和提馏段装填2 mm×2 mm不锈 钢丝网制Dixon填料,催化精馏段为填料和催化剂 混装,催化剂为强酸性阳离子交换树脂.催化精馏 段有2个进料口,A处进乳酸、H处进乙醇,6个 测温口,各口之间相距100 mm.实验反应物为乙 醇和乳酸,产物为乳酸乙酯和水+采用SP一2100气 相色谱仪分析乳酸乙酯的含量,分析方法为内标 法.实验装置见图1. Fig.1 Experimental flow sheet 1一ethan0l tank;2—1actic acid tank;3 condenser; 4 thermometer:5 f1ask of sampling{6--controller of reflux ratio;7--manometer;8--samples of tower bottom A~H entrance of feeds and measuring temperature 2 结果与讨论 2.1 回流E匕的影响 首先考察了回流比对反应过程的影响,固定其 他参数,其中,乳酸和乙醇的进料摩尔比为1:4、 乳酸进料量为0.9260 mol・h一,改变回流比,测 量乳酸乙酯产率,实验结果见图2.可以看出,在 本实验条件下,回流比R<l时,随R增大酯的产 率增大,但当R>1时随R增大酯的产率降低,在 R==1时,酯的产率最高. 2.2 乙醇与乳酸进料比的影响 固定乳酸进料量为0.9260 mol・h 、凹流比 为1:1,通过改变乙醇流量,考察乳酸和乙醇不同 摩尔配比对催化精馏的影响,实验结果见图3.由 图3可以看出,当乙醇和乳酸的进料比为4:1时, 乳酸乙酯的产率最高.这是因为在本工艺中采用乙 Fig.2 Effect of reflux ratio on yield of ethyl lactate Fig.3 Effect of feed ratio of ethanol to lactic acid on yield of ethyl lactate 醇将反应生成的水带出反应体系,乙醇既是反应物 又是带水剂,当醇酸比较小时乙醇不足以将反应生 成的水全部带出,不利于反应的进行,致使乳酸乙 酯的产率会降低.但如果醇酸比太大时,一方面会 降低乳酸在反应体系中的浓度,减少乳酸和催化剂 接触的机会,另一方面还会造成料液处理量过大, 降低塔的分离能力,以及会造成醇过量消耗使成本 增加,因此醇酸进料比不能太大. 2.3进料量的影响 保持醇酸进料比为4:1、回流比为1:1,改 变醇酸进料量,考察醇酸进料量对催化精馏的影 响,以确定适宜的进料量.实验结果见 4.由图 4可知,随着进料量增大,产率逐渐增加,但如果 进料量太大,产率反而下降.这是因为:如果进料 量太大,超过塔的分离能力时,产率自然会减小; 而如果进料量太小,醇和酸接触概率就会减小,醇 还未反应就被蒸出,使产率减小.在本实验条件 下,乳酸最佳进料量为0.6284 mol・h . 2.4进料位置的影响 保持醇酸进料配比为4:1、回流比为l:1和 乳酸量为0.6284 mol・h_。,通过改变进料位置, 考察进料位置对催化精馏的影响,实验结果见 维普资讯 http://www.cqvip.com
化 工 Fig.4 Effect of feed flow rate on yield of ethyl lactate 表1. Table 1 Effeets of feed location Feed Yield/% H/A G/B F/C E/D 根据原料乳酸和乙醇挥发度不同,乳酸为难挥 发组分从反应段的上部进料,乙醇为易挥发组分从 反应段下部进料,这样的汽液大体上呈逆流充分接 触.实验表明,塔最下部的进料口进乙醇、塔最上 部的进料VI进乳酸为最佳进料位置.进料位置不仅 影响塔中的反应区域同时也会影响塔中组分的浓度 分布,反应只是在液相进行,由于乙醇与乳酸的沸 点相差较大,乙醇易进入汽相,乳酸与乙醇的进料 位置太近会使反应区内液相乙醇浓度降低,不利于 反应,而乳酸在操作温度下不会汽化,从最上IZl进 料可以使其与乙醇的接触时间最长.因此,最上VI A处进乳酸、最下口H处进乙醇,产率最高. 3 过程模拟 用ASPEN PLUS应用软件对全塔进行模拟. 模拟所得的温度分布见图5,塔顶和塔底浓度的模 拟见表2,实验条件的模拟结果见表3,图和表中 同时给出实验值以作比较.由图5、表2、表3可 以看出,模拟值与实验结果吻合较好,说明应用模 拟计算来模拟该催化精馏塔是可行的. 从表3的实验结果可以看出:在回流比为1时 产率最高,当回流比太小时,不利于建立塔内的平 衡,而当回流比太大时,反应生成的水不能及时带 出反应体系,不利于反应的进行;当乙醇和乳酸的 进料比为4:1时产率最高,这是因为在本工艺中 学 报 第57卷 p j 芭 & 暑 磐 Fig.5 Comparison of simulated and experimented values of temperature distribution in column Table 2 Comparison of numerical simulation and experiment Table 3 Comparison of experiment and simulation Yield/ Item--------------- -—— ——・— --------------------------------------------------・--——--——一 Experiment Simulation reflux ratio 0.25:1.0 23.81 0.5:1_0 26.56 1.0:1.0 28.27 2.0:1.0 27.56 4.0:1.0 25.87 6.O:1_O 25.48 molar ratio of ethanol to lactic acid 1.0:1.0 1 6.21 2.0:1.0 20.63 4.0:1.0 28.27 6.0 1 1_0 25.32 8.0 t 1.0 24.15 feed flow rate/mol・h一 0.4178 0.5064 0.6284 0.7863 0.926O feed location H/A G/B F/C E/D 乙醇既是反应物又是带水剂,当醇酸比较小时乙醇 不足以将反应生成的水全部带出,从平衡的角度看 维普资讯 http://www.cqvip.com
第11期 高静等:催化精馏制备乳酸乙酯 ・2641・ 乳酸乙酯的产率必然会降低,但如果醇酸比太大, 会降低乳酸在反应体系中的浓度;最佳进料量为 0.6284 rnol・h_。. 这是因为如果进料量太大,塔 的分离能力降低, 而如果进料量太小,醇和酸不能 充分接触. 4 结 论 在自制的催化精馏塔内对乳酸和乙醇连续生产 制备乳酸乙酯的过程进行了研究,考察了回流比、 醇酸进料比、乳酸进料量、进料位置等参数对乳酸 乙酯产率的影响,应用ASPEN PLUS软件对该催 化精馏塔进行了模拟,模拟结果和实验结果基本吻 合.结果表明采用催化精馏技术合成乳酸乙酯是可 行的,有必要进行深入的研究. Referenees [1] Gao Jing(高静)。Zhao Xueming(赵学明),Huang Zhihong(黄志红).Study on synthesis of ethyl lactate utilizing sOi一/ZrO2 Ti02 as catalyst.Journal of Sichuan University(四川大学学报).2002,34(5):36—38 [2] Argonne National Laboratory.Esterification of fermentation derived acids via pervaporation:US,5723639.1 998 Is] Andreas B,Franz N.Industrial experience in the scale—up of reactive distillation with examples from C4一chemistry. Chemical Engineering Science。2002,57:1 525 1 530 [ ] Dragomir R M,Jobson M.Conceptual design of single feed hybrid reactive distillation columns.Chemical Engineering Sciem'e,2005,60:4377-4395 [5] Kening E Y.Bader H.Investigation of ethyl acetate reactive distillation process.('heroical Engineering Science,2001, 56:61 85-6193 [6] Viveros G,Tom A,Ochoa T,et a1.Conceptual design of a reactive distillation process for ultra—low sulfur diesel production.Chemical Engineering Journal,2005,106: ll9 l3l [7] Noeres C,Kenig E Y,Gorak A.Modelling of reactive separation processes:reactive absorption and reactive distillation.Chemical Engineering and Processing,2003, 42(3):1 57 l78 [8] Wang Jian( 健),Wang Erqiang(上= 强)・Chen Biaohua(陈标华),I i Chengyue(李成岳).Suspension catalytic distillation mathematical model stationary simulation dynamic simulation.Journal{If Chemical Industry and Engineering(China)(化j二学报),2005,56(9): l 654 1 659 f9] Bai Peng(白鹏).Liu Jinsong(刘劲松),Zhu Siqiang(朱 思强),Yang Zhicai(杨志才).Acetic acid waste water catalytic distillation reaction kinetics ion exchange resin. Journal of Chemical Industry and Engineering(China)(化 上学报),2002,53(1 2):l 266-1 269
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