甘油和醇类制烷基甘油醚的非均相反应热力学研究

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近年来,全球范围内的生物柴油产业规模的不断扩大带来了副产品甘油大量剩余。将这些过剩的甘油转化为高附加值的甘油衍生品己成为全世界广泛关注的焦点。其中,烷基甘油醚作为新型含氧燃油添加剂,不仅可有效降低汽油粘度,提高辛烷值,还能有效改善柴油的低温流动性能,显著降低柴油机细颗粒物的排放,因此受到了越来越多关注。烷基甘油醚可由甘油与醇类(甲醇、乙醇、异丙醇和叔丁醇)的脱水反应制备。当前对于烷基甘油醚合成过程的研究,大多数聚焦于实验阶段。为了揭示制备过程中相关参数对反应体系的本质影响,需要对甘油与醇类的脱水反应体系进行深入且全面的热力学分析,这涉及到多相多组分多反应的复杂体系热力学计算。本研究基于多组分多相反应平衡,使用UNIFAC活度系数模型修正液相混合物的非理想性,通过改进遗传算法并将其应用于真实反应体系的吉布斯自由能最小化,建立了适用于甘油与醇类脱水反应平衡体系的热力学计算模型。在较宽的温度(40-300℃)、压强(0.5—7.5 atm)和原料摩尔比(醇/甘油=4:1—8:1)范围内,进行了甘油与醇类(甲醇、乙醇、异丙醇和叔丁醇)脱水反应的热力学分析,包括反应条件对整个反应体系的影响,以及对平衡组成的气液相分布的影响。这项工作旨在为甘油与醇类脱水反应的基础研究和工业放大提供理论依据及指导,同时为其他多相多组分多反应复杂体系的热力学计算与分析提供参考。通过对计算结果进行对比分析我们发现:在40℃—300℃、0.5 atm—7.5 atm和醇/甘油=4:1—8:1 mole/mole的研究范围内,甲醇、乙醇、异丙醇和叔丁醇与甘油脱水反应体系中,甘油接近完全转化。整体上由于反应放热,三烷基甘油醚(TAGE)选择性随温度降低,但组分的气化吸热效应使其有了一定的升高。异丙醇与甘油的脱水反应进行得最彻底,三异丙基甘油醚(TIGE)选择性整体逼近99%。在甲醇、乙醇和叔丁醇与甘油的脱水反应体系中,第三步脱水反应的平衡常数较小。原料摩尔比的增加可导致TAGE选择性增加。各脱水反应体系中水的平衡含量均较高,对4:1-8:1的原料摩尔比,水含量处于56%-32%。各个醇与甘油脱水反应体系保持气液两相状态的温度范围不同,醇与水的气液相平衡常数明显高于TAGE。
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