基于乙酸异丙烯酯连续化生产设备的实验及数值模拟研究

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传统制药及精细化工生产大都是以搅拌反应釜为主的间歇化工艺,如丙酮和乙烯酮生成乙酸异丙烯酯的反应。在乙酸异丙烯酯的生产工艺中,存在着气液混合效果差、通气受限以及转化率低等问题。为了改进原有生产方式,本文提出将回路反应器应用于乙酸异丙烯酯生产中,以期实现其工艺的连续化,为进一步提高生产装置的自动化、信息化奠定基础,研发成功将为解决液体与微正压气体的非快速反应类的精细化工产品的连续化生产工艺改造或开发提供思路和借鉴。实现乙酸异丙烯酯连续化生产工艺的关键在于对回路反应器核心设备文丘里喷射器性能的优化,本文对文丘里喷射器的吸气量以及影响气泡大小尺寸的参数进行了研究。首先进行了乙酸异丙烯酯基础实验,然后搭建了回路反应器中试实验平台,考察了操作参数、物性参数对回路反应器中文丘里喷射器吸气性能的影响规律,最后采用数值模拟的方法探究了文丘里喷射器出口气泡大小分布,分析气泡大小对气液传质的影响。可以得到以下结论:(1)基础实验得到了丙酮和乙烯酮反应的最佳条件:反应时间3 h、反应温度50~55℃、催化剂用量1.5%(丙酮体积计算);(2)以水-空气的中试实验表明回路反应器中文丘里喷射器的吸气量随气体入口压力和液体循环量的增大而增大、随反应釜内部压力的增大而减小;以丙酮-乙烯酮进行连续化中试实验,连续化过程中乙酸异丙烯酯的含量达到60%以上,说明文丘里喷射器解决了乙烯酮为微正压、进气困难的问题;对实验中两种物系对比发现吸气量乙烯酮大于空气;(3)不同物系的气体密度对文丘里喷射器的吸气性能的影响较大,液体密度次之,而流体粘度对吸气性能的影响最小;(4)操作参数会影响文丘里喷射器出口截面的气泡大小分布,通过耦合群体平衡模型求解,结果显示:液体入口速度或气体入口压力越小,小气泡占比越大,气液两相的相见接触面积越大,越有利于气液传质;随着出口压力的减小,小气泡占比逐渐减少,不利于气液传质。
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