长链α,ω-二醇酯化—热解制烯烃的工艺研究

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长链二烯烃作为一类化工中间体,在合成橡胶、树脂、交联剂、表面活性剂有重要应用。由烷基二酸催化氧化脱羧生产长链二烯的方法应用较为广泛,但是该方法采用了复合贵金属催化剂如双三苯基膦二氯化钯、钯碳等,产物收率在55~80%之间,催化剂成本较高;醇脱水方法多用于单烯烃的生产,反应过程中往往伴随着双键的迁移,以及分子间或分子内的醚化等副反应,降低了产物选择性和收率。目前,长链α,ω-二醇(下称长链二醇)脱水制烯烃的报道较少,因此,探究新的脱水制烯烃的合成工艺,深入了解其脱水反应机理和动力学过程,指导反应器的设计和工业化生产,开发出经济、高效、绿色环保的生产工艺具有重要的理论和实际意义。本文主要的研究工作如下:改进了长链二醇与过量脂肪酸通过硫酸铜催化、循环共沸带水,促进双边酯化高效合成二羧酸酯的工艺。长链二醇与小分子脂肪酸(如甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸等)在硫酸铜的催化下,以摩尔比1:4:0.1条件下酯化制备脂肪二醇二羧酸酯。硫酸铜既作为催化剂又作为间接带水剂,提升了二酯化反应收率,产物收率达95%~98%;通过甲苯循环共沸带水提升反应效率,反应温度在94~140℃,反应时间为4~5h;硫酸铜催化剂、共沸剂甲苯和过量脂肪酸经回收处理,循环使用:催化剂回收率达90%,甲苯回收率达95%,脂肪酸利用率在90%以上。相较于现有脂肪酸酯化工艺:反应效率提升,反应时间降低50%;硫酸铜催化的单酯化副产物含量低(1%~3%);产品纯度高,简化了分离步骤。开发了脂肪二醇二羧酸酯连续高温热解制备烯烃的工艺,较好实现了二烯和烯醇两产物的可控产出;设计并建立了用于热解反应连续气相管式反应器。实验步骤主要有:1,10-癸二醇二羧酸酯连续进入管式反应器,经气化、热解、冷凝收集、精馏分离得到产品,其副产物脂肪酸回收套用。当反应温度450℃,物料停留时间为0.1h,产物1,9-癸二烯收率达到90.3%,此时,9-癸烯-1-醇收率仅5%。在同样温度下提高进料速度,如物料停留时间为0.04h时,1,9-癸二烯:9-癸烯-1-醇的收率比为38.0%:35.5%。本文的连续气相热解反应过程稳定,如反应8h无结炭,出料组成稳定,而无机酸催化工艺碳化较严重,副产物较多(如醚类60~80%)。经实验比较,其他二醇乙酸酯的连续气相热解收率也较高,其主产物1,5-己二烯、1,6-庚二烯、1,7-辛二烯和1,8-壬二烯的收率分别达70.3%、74.0%、74.8%和81.4%。对比烷基酸催化氧化脱羧法,复合贵金属催化剂的使用增加了成本;且釜式反应的效率较低,本文的管式连续反应器效率提高了 30%以上。建立了 1,10-癸二醇二乙酸酯的热解动力学模型。通过对进料速率和反应温度的控制,对得到的动力学实验数据进行分析,建立了连串反应的动力学模型并确定其参数,得到两步连串反应的反应级数为一级;反应活化能Ea1=127.9/kJ/mol,Ea2=126.8kJ/mol;反应速率常数方程k1=exp(-15388/T+24.697),k2=exp(-15256/T+25.384)。本文获得的实验结果和数学模型能为相关工艺的工业化设计与放大提供必要的基础数据。
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