碳酸丙烯酯合成反应动力学及工艺流程模拟

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二氧化碳与环氧丙烷进行环加成反应制备碳酸丙烯酯不仅符合“碳达峰、碳中和”绿色可持续发展理念,还开辟了一条非石油原料的新路线,生产的碳酸丙烯酯在化工领域具有重要的应用价值。但二氧化碳化学性质极不活泼,在相对温和的条件下实现二氧化碳的化学固定和资源转化,催化剂的选择至关重要。离子液体以其优异的催化性能用于二氧化碳与环氧丙烷合成碳酸丙烯酯具有极大的工业价值。本文首先合成[BMIM]Br离子液体,然后对[BMIM]Br离子液体进行改性得MIL离子液体,再加入助剂Ⅰ与助剂Ⅱ制备复合改性离子液体(CMIL)催化体系。采用CMIL催化CO2与环氧丙烷(PO)合成碳酸丙烯酯(PC),优化工艺参数,通过单因素和正交试验相结合的方法考察了反应温度、反应压力、反应时间、催化剂用量等对催化性能的影响,并研究了催化剂的使用寿命。通过测试CO2的溶解度与基理假设,结合动力学实验研究,建立CMIL催化CO2与PO合成碳酸丙烯酯的反应动力学方程,并采用Aspen plus对其催化工艺流程进行了模拟,为进一步的工业装置选型设计与工业化生产提供理论基础和数据支持。实验结果表明,合成[BMIM]Br离子液体是目标产物,但单独使用催化效果较差,通过复合改性后得到的CMIL离子液体催化体系具有很好的催化性能,其最佳反应工艺参数为:反应温度100℃、压力1.5 MPa、时间1.5 h,催化剂的用量2.0%,该条件下得到反应物的转化率为99.98%,产物的选择性为98.87%。实验结果得知,常温下CO2在反应物PO中溶解度非常大,每升PO中能溶解144.38L CO2,100℃下CO2在反应物PO和产物PC中的溶解度相差不大。根据假设的PO合成PC的亲核反应机理,建立了动力学方程,在一定温度和压力下,PC的合成反应速率与催化剂和PO浓度均为一次方关系。通过Aspen Plus化工模拟软件对CMIL催化体系催化CO2与环氧丙烷(PO)合成碳酸丙烯酯(PC)的工艺流程进行模拟设计,得到精制后碳酸丙烯酯的纯度高达99.8%以上。
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