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萜烯直接水合反应制萜烯醇的工业化生产过程中大多采用传统的搅拌釜式反应器或固定床反应器。其生产过程中普遍存在着反应时间偏长、能耗高、传质传热效率低、生产成本偏高等问题。而强化喷射反应器作为一种新型的多相反应器,具有传质传热效率高、结构简单、无机械搅动装置、密封性好、能耗低等优势,已广泛应用于加氢、氧化、磺化、氯化、水合等多相反应中。 利用强化喷射反应器可改善液—液和液—固之间的传质效果,提高水合反应速率,降低能耗,提高产品质量,降低生产成本。本文采用自行设计的容积为20 L的强化喷射反应器研究了萜烯直接水合反应的工艺参数及反应动力学,并对强化传质过程及湍流微观混合与反应过程的相互影响进行了探讨,为强化喷射反应器的工业化设计、优化取得了理论和实验数据。通过研究,取得了以下主要研究结果: 1.二氢月桂烯(DHM)直接水合制二氢月桂烯醇(DHMOH) 以Amberlyst15 wet树脂为催化剂,异丙醇为溶剂,在20 L的强化喷射反应器内较系统地考察了各种工艺参数对DHM直接水合反应的影响,确定了优选的工艺参数:反应温度为383.15 K,催化剂的用量为20%(wt),DHM∶ H2O∶异丙醇质量比为1∶1∶2。 建立了以大孔强酸性阳离子树脂为催化剂,DHM强化喷射水合反应的拟均相和非均相的Eley-Rideal模型,并估算出动力学参数。由模型得到的计算值与实验值吻合良好。 拟均相模型为:r=-da DHM/dt=M cat(k1aDHM aH2O-k2aDHMOH)k1=3.27×105exp(-7.437×104/RT) 其中,k2=5.02×105exp(-6.438×104/RT) Eley-Rideal模型为:rA=Mcat(k+rK(w)aDHMaH2O-k-raDHMOH)/1+KWaH2Ok+r=4.20×106 exp(-7.33×104/RT) 其中,k-r=1.76×106 exp(-6.09×104/RT)K(w)=0.4286 exp(5.20×102/RT) 2.莰烯直接水合制异龙脑 以D72阳离子交换树脂为催化剂,异丙醇为溶剂,分别在小试间歇搅拌釜式反应器与强化喷射反应器内研究了莰烯直接水合反应,确定了适宜的工艺参数:催化剂的用量为20%(wt),反应温度为373.15 K,m(莰烯)∶m(水)∶m(异丙醇)=1∶1∶2(质量比)。 建立了拟均相动力学模型拟合了喷射反应器内的动力学实验数据,并估算出动力学参数,由模型得到的计算值与实验值吻合良好,表明拟均相动力学模型适用于莰烯的直接水合反应。实验显示,在相同的反应条件下,强化喷射反应器与传统的固定床反应器比较,莰烯的转化率提高了10%。 3.强化喷射反应器的强化传质与湍流微观混合过程 在相同的反应条件下,与传统的固定床反应器相比,采用强化喷射反应器DHM的转化率提高了27%。采用了拟均相动力学模型分别拟合两个反应器的动力学数据,估算得出强化喷射反应器的强化因子为1.50。 基于Langmuir-Hinshelwood单活性中心点的反应机理建立的动力学方程推导出传质系数的表达式:kc=0.6×DAB1/3/v1/6×U1/2/dp1/2 本文以卷吸模型来阐述湍流微观混合过程,显示强化喷射反应器的强化湍流微观混合时间尺度远小于搅拌釜式反应器。且喷射速度越大,特征混合时间越短,混合效果则越好。采用Damkoler数以表征湍流混合与反应过程之间的相互影响,得出DHM直接水合反应速率由湍流混合和反应动力学共同决定。