渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置
阅读说明：本技术 渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置 (Method and device for producing ester products by pervaporation membrane coupling esterification reaction ) 是由 熊春刚 杨震鸿 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置,涉及化学领域,该种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置,包括循环罐、固体酸催化剂床、膜组件以及废水罐；所述循环罐的一侧设置有第一循环泵,所述第一循环泵远离循环罐的一端连接有第一过滤器,所述第一过滤器远离第一循环泵的一端与固体酸催化剂床连接；所述循环罐与膜组件之间设置有换热器,所述换热器远离膜组件的一端连接有第二循环泵。通过将渗透汽化膜和酯化反应直接耦合,再将反应体系中副产物水直接脱出,可以直接大幅度促进酯化反应速率,增加产品收率,生产效率大大提高。(The invention provides a method and a device for producing ester products by pervaporation membrane coupling esterification reaction, which relate to the field of chemistry, and comprise a circulating tank, a solid acid catalyst bed, a membrane component and a waste water tank; a first circulating pump is arranged on one side of the circulating tank, one end of the first circulating pump, which is far away from the circulating tank, is connected with a first filter, and one end of the first filter, which is far away from the first circulating pump, is connected with the solid acid catalyst bed; and a heat exchanger is arranged between the circulating tank and the membrane module, and one end of the heat exchanger, which is far away from the membrane module, is connected with a second circulating pump. By directly coupling the pervaporation membrane with the esterification reaction and directly removing the byproduct water in the reaction system, the esterification reaction rate can be directly and greatly promoted, the product yield is increased, and the production efficiency is greatly improved.)
技术领域
本发明属于化学领域，特别涉及一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置。
背景技术
酯化反应，是一类有机化学反应，是醇跟羧酸或含氧无机酸生成酯和水的反应。分为羧酸跟醇反应和无机含氧酸跟醇反应和无机强酸跟醇的反应三类；其中羧酸跟醇的酯化反应是可逆的，一般情况下反应进行不彻底。酯化反应属于单行双向反应。而且一般反应极缓慢，故常用浓硫酸或固体酸作催化剂。酯类产品是制造染料和医药的原料，也广泛应用在精细化工中，是化工行业中重要的一种产品。CN108059597专利中设计了一种带侧线的反应精馏和渗透汽化耦合生产乙酸乙酯的方法，该工艺中的渗透汽化膜可将乙酸乙酯带出的水分及时脱出并得到乙酸乙酯产品，但渗透汽化膜的作用是用于产品的精制，并不直接将水从反应体系中脱出从而促进反应向产品方向进行；CN107628946A专利中提出了一种反应精馏和渗透汽化膜耦合生产乙酸乙酯的工艺，该工艺塔顶采出口正压蒸汽和渗透汽化膜进口相连，渗透汽化膜将产品中水脱出，得到乙酸乙酯产品蒸汽，其中渗透汽化膜采用的分子筛膜，从中可知渗透汽化膜的作用也是在于产品的精制，也不是直接从反应体系中将水脱出，促进反应向产品方向进行的效果并不明显；CN102249916A专利中提到了一种柠檬酸三丁酯连续化生产工艺中，其中在酯化反应工艺中使用了渗透汽化膜，但渗透汽化膜是用于产品的精制，进膜前对反应溶液进行酸性中和，得到中性的溶液后再汽化进膜，得到柠檬酸三丁酯，该工艺中渗透汽化膜并不能促进酯化反应进行，只是在产品精制中起到作用。
但是，由于反应体系处于酸性条件下，分子筛膜等无法直接将副产物水从反应体系中脱出，无法直接对酯化反应的速率、产品收率产生影响，从而使得酯化反应速率不高、产品收率较低，依然处于采用一种反应物过量消耗另一种反应物传统方式，经济性较低，也加大了产品精制过程难度，能耗较大。
因此，现在亟需一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置，本发明提供了将渗透汽化膜直接和反应装置耦合，应用于羧酸和醇类酯化反应，将酯化反应中的副产物水从体系中直接脱出，直接促进酯化反应向产品方向进行，增加反应速率和产品收率，使得产品投料比达到1:1的绿色反应条件，产品的转化率达到99％，降低了产品精制的难度，节约了分离的能耗，使得整体工艺效率大幅度提高。
发明内容
本发明提出一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置，解决了现有技术中由于反应体系处于酸性条件下，分子筛膜等无法直接将副产物水从反应体系中脱出，无法直接对酯化反应的速率、产品收率产生影响，从而使得酯化反应速率不高、产品收率较低，依然处于采用一种反应物过量消耗另一种反应物传统方式，经济性较低，也加大了产品精制过程难度，能耗较大的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的装置，包括：循环罐、固体酸催化剂床、膜组件以及废水罐；
所述循环罐的一侧设置有第一循环泵，所述第一循环泵远离循环罐的一端连接有第一过滤器，所述第一过滤器远离第一循环泵的一端与固体酸催化剂床连接；
所述循环罐与膜组件之间分别设置有换热器，所述换热器远离膜组件的一端连接有第二循环泵，所述第二循环泵远离第二换热器的一端连接有第二过滤器，所述第二过滤器远离第二循环泵的一端与循环罐连接；
所述膜组件与废水罐之间安装有冷凝器，所述冷凝器的一侧连接有真空泵。
作为一优选的实施方式，所述固体酸催化剂床的出口与循环罐上方的一个进口相连。
作为一优选的实施方式，所述循环罐的顶端与底端分别设置有原料进口和产品出口。
作为一优选的实施方式，所述冷凝器上方出口与真空泵连接，且真空泵出口与大气相连。
作为一优选的实施方式，所述冷凝器下端出口与废水罐进口相连，且废水罐出口与大气相连。
一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法，包括以下具体流程：
S1.将羧酸和醇类物料等摩尔比例直接投入循环罐中；
S2.进入循环罐中的物料经过第一循环泵泵送后进入第一过滤器，经第一过滤器再进入固体酸催化剂床中进行催化反应，反应后的羧酸、醇类及产品酯类、副产物水再次进入循环罐中，反复循环使物料通过固定床，促进反应向产品方向进行；
S3.循环罐中的物料在进行循环催化反应的同时，循环罐中的羧酸、醇类、酯类和副产物水也会经过第二过滤器、第二循环泵将酸性混合物料送入膜组件中，从而利用换热器以及膜组件的渗透汽化作用将副产物水及时的脱出，从而能够快速高效的直接促进酯化反应向正方向进行；
S4.进入膜组件渗透侧的水在高温、真空下快速汽化，促进渗透水快速的脱离膜组件渗透侧表面，降低渗透阻力，渗透的水再经过冷凝器冷凝，收集到废水罐中进行回收，大幅度的降低环保压力；
S5.监测循环罐，当反应体系中反应底物消耗殆尽时，将水脱出，循环罐中即可得到酯类产品。
作为一优选的实施方式，所述S2中的流程为酯化反应系统加工流程，且反应物料体系的pH范围维持在0-7，反应温度范围为70-190℃。
作为一优选的实施方式，所述S3中的流程为渗透汽化脱水系统的加工流程，且所述渗透汽化脱水系统的运行温度为70-150℃，pH耐受范围为0-8。
作为一优选的实施方式，所述膜组件渗透侧处于真空状态，真空度为1-10KPa。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
1、该种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置，通过将渗透汽化膜和酯化反应直接耦合，再将反应体系中副产物水直接脱出，可以直接大幅度促进酯化反应速率，增加产品收率，生产效率大大提高；
2、该种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置，通过改变传统方法中一种底物大大过量来消耗另一种底物的反应模式，改为投料比例为1:1，使得反应更具经济性，符合绿色环保的发展要求；
3、该种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置，通过将反应和产品精制耦合在一起，简化了反应工艺，大幅度的节约了运行成本和能耗；
4、该种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置，通过将酯化反应系统和渗透汽化脱水系统并联连接，保障了二者能够相互独立运行，可以更好的协调解决酯化反应系统和渗透汽化脱水系统产脱水速率不同的匹配问题，为该方法及装置在酯化反应中的通用性提供有力的技术保障；
5、该种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法及其装置，由于各自装置反应温度范围十分匹配，使得整体工艺的运行能耗大幅度降低，为该方法及装置在酯化反应中的通用性提供了技术保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的装置的整体结构示意图。
图中，1、循环罐；2、第一循环泵；3、第一过滤器；4、第二过滤器；5、第二循环泵；6、固体酸催化剂床；7、膜组件；8、冷凝器；9、废水罐；10、真空泵；11、第一换热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的装置，包括：循环罐1、固体酸催化剂床6、膜组件7以及废水罐9；
循环罐1的一侧设置有第一循环泵2，第一循环泵2远离循环罐1的一端连接有第一过滤器3，第一过滤器3远离第一循环泵2的一端与固体酸催化剂床6连接；
循环罐1与膜组件7之间分别设置有换热器11，换热器13远离膜组件7的一端连接有第二循环泵5，第二循环泵5远离第二换热器13的一端连接有第二过滤器4，第二过滤器4远离第二循环泵5的一端与循环罐1连接；
膜组件7与废水罐9之间安装有冷凝器8，冷凝器8的一侧连接有真空泵10。
固体酸催化剂床6的出口与循环罐1上方的一个进口相连。
循环罐1的顶端与底端分别设置有原料进口和产品出口。
冷凝器8上方出口与真空泵10连接，且真空泵10出口与大气相连。
冷凝器8下端出口与废水罐9进口相连，且废水罐9出口与大气相连。
一种渗透汽化膜耦合酯化反应生产酯类产品的方法，包括以下具体流程：
S1.将羧酸和醇类物料等摩尔比例直接投入循环罐1中；
S2.进入循环罐1中的物料经过第一循环泵2泵送后进入第一过滤器3，经第一过滤器3再进入固体酸催化剂床6中进行催化反应，反应后的羧酸、醇类及产品酯类、副产物水再次进入循环罐1中，反复循环使物料通过固定床，促进反应向产品方向进行；
S3.循环罐1中的物料在进行循环催化反应的同时，循环罐1中的羧酸、醇类、酯类和副产物水也会经过第二过滤器4、第二循环泵5将酸性混合物料送入膜组件7中，从而利用换热器11以及膜组件7的渗透汽化作用将副产物水及时的脱出，从而能够快速高效的直接促进酯化反应向正方向进行，使得产品转化率大大的提高；
S4.进入膜组件7渗透侧的水在高温、真空下快速汽化，促进渗透水快速的脱离膜组件7渗透侧表面，降低渗透阻力，渗透的水再经过冷凝器8冷凝，收集到废水罐9中进行回收，大幅度的降低环保压力；
S5.监测循环罐1，当反应体系中反应底物消耗殆尽时，将水脱出，循环罐1中即可得到酯类产品。
S2中的流程为酯化反应系统加工流程，且反应物料体系的pH范围维持在0-7，反应温度范围为70-190℃。
S3中的流程为渗透汽化脱水系统的加工流程，且渗透汽化脱水系统的运行温度为70-150℃，pH耐受范围为0-8，酯化反应的运行温度和渗透汽化脱水温度的达到完全匹配，该条件使得酯化反应和膜系统耦合的通用性提供了有力技术支撑。
膜组件7渗透侧处于真空状态，真空度为1-10KPa。
实施例二：
本实施例在实施例一的基础之上，利用实施例一的方法制备乙酸乙酯产品，其实验步骤及结果如下：
S201.在固体酸催化剂床6加装固体酸催化剂PMB-II；
S202.将乙酸和乙醇近似等摩尔比1:1投入到循环罐1中，开启第一循环泵2，并对循环罐1进行加热，使得循环罐1内温度达到85℃，使得物料通过固体酸催化剂床6进行酯化反应，同时开启第二循环泵5，将反应中副产物水脱出，直接促进反应向产品方向进行；
S203.检测反应体系中乙酸乙酯含量，当乙酸乙酯含量达到99％时停止反应，将乙酸乙酯产品排出。
实施例三：
本实施例在实施例一的基础之上，利用实施例一的方法制备柠檬酸三丁酯产品，其实验步骤及结果如下：
S301.固体酸催化剂床6加装SiO2负载的纳米级SO-24/TiO2固体酸催化剂；
S302.将柠檬酸和正丁醇近似等摩尔比1:4投入到循环罐1中，开启第一循环泵2，并对循环罐1进行加热，使得循环罐1内温度达到110℃，使得物料通过固体酸催化剂床6进行酯化反应，同时开启第二循环泵5，将反应中副产物水脱出，直接促进反应向产品方向进行；
S303.检测反应体系中柠檬酸三丁酯的含量，当柠檬酸三丁酯含量达到99％时停止反应，将柠檬酸三丁酯产品排出。
实施例四：
本实施例在实施例一的基础之上，利用实施例一的方法制备乙酸丁酯产品，其实验步骤及结果如下：
S401.在固体酸催化剂床6加装固体酸催化剂HZSM-5分子筛；
S402.将乙酸和正丁醇近似等摩尔比1:1投入到循环罐1中，开启第一循环泵2，并对循环罐1进行加热，使得循环罐1内温度达到125℃，使得物料通过固体酸催化剂床6进行酯化反应，同时开启第二循环泵5，将反应中副产物水脱出，直接促进反应向产品方向进行；
S403.检测反应体系中乙酸丁酯含量，当乙酸丁酯含量达到99％时停止反应，将乙酸丁酯产品排出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种光热膜蒸馏用三层膜的制备方法