反应釜毕业设计讲解.docx

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反应釜毕业设计讲解

应用化学

2 -乙基己醇酯化苯甲酸搅拌反应釜

G. Pipus，I. Plazl，和T. Koloini*

 斯洛文尼亚卢布尔雅那大学化学化工学院

2.45 GHz的磁控发电机，提供460输出W微波涂药。

设计功率和波导，搅拌反应釜用一个500毫升的全卷。

微波反应器在高压和高温，酯化苯甲酸。

被选定为模型反应，2-乙基己酸，是均匀的酯化。

用硫酸和对甲苯磺酸催化，作为非均相催化剂，Cs2.5H0.5-PW12O40，硫酸锆和Fe2（SO4）3，蒙脱石科安部队使用。

对于相同的操作条件下，酯化率得出的结论是在微波反应器和传统的实验装置。

结果表明，均相催化剂较有效的非均相催化剂Fe2（SO4）3之间的固体是最有效的催化剂。

催化剂测试，在微波搅拌反应釜的转换，在协议与常规获得的动力学参数的基础上预测的转换加热。

高压和高温的工作条件允许的反应速率酯化将大大增加。

介绍

  微波介质加热，不仅是一个良好的既定程序，也被广泛用于加工食品和工业原料。

应用程序已经被设计为加热橡胶，木材，纸张，和农产品。

最近，微波介电加热吸引了2 chemists.1，化学AP-关注。

微波加热一直延伸到几乎所有地区的。

微波加热已应用于批次和连续流在国内微波炉放置反应堆烤炉。

然而，在国内微波烤箱有一个非常复杂的图案，通常是nonuniform.4这可能会导致不均匀的加热材料ALS和热点的形成。

微波加热被广泛应用于有机合成论文，因为它提供了可能的利率优势由于热效应的增强，微波辅助直接加热材料，并迅速启动。

在这方面的文献主要是实验，与正在进行的反应出在小烧杯中，或在小体积的聚四氟乙烯船只。

微波辐射对反应的影响2,4,6酸催化酯化反应的动力学在raner和Strauss.7酯化率结论是在微波反应器相同。

 chemat和同事研究与丁醇酯化硬脂酸在同质和异质情况下，他们发现，在非均相反应条件下，微波​​加热反应混合物比常规加热反应的混合物提高了产量。

其效果是最大的催化剂FE2（SO4）3和蒙脱石关键成功因素最小的。

然而，有没有微波对酯化率的影响均相反应条件下。

这些反应速率的增加是由于热点固体催化剂的表面。

我们工作的目的是建立一个微波反应堆将允许一个更大的加热受控条件下的体积。

专门设计的微波涂药，其中微波传送到波导系统搅拌反应釜。

涂药经营单一模式，使电场均匀，更容易在控制操作条件下成立。

微波搅拌反应釜，500毫升的体积工作压力升高。

瞬变电磁测量温度已被证明是存在的问题。

强电磁场单程确保温度的准确测量是用光纤探头，但这种方法是有效的最多只能250°C。

另一种可能性是使用一个特别设计的热电偶沉浸在吸收液体中。

苯甲酸与2 -乙基己醇的酯化被选定为模型反应，在研究微波搅拌釜酯化均匀与硫酸催化甲苯磺酸。

使用固体催化剂通常是首选的液相反应均相催化剂的使用，因为它很容易将它们分开，他们不污染。

 Cs2.5H0.5-PW12O40，硫酸锆，Fe2（SO4）3，和蒙脱石作为关键成功因素被用来作为非均相催化剂。

它一直显示硫酸锆固体超强酸之间催化剂具有酯化活性最高。

展出最高的催化活性之间的固体丙烯酸酯化的氧化物催化剂。

图1，由波导微波传送的搅拌反应釜。

试验段

   我们进行了实验，在一个专门设计微波涂药（图1），经营在单一的模式。

包括微波涂药一个460瓦的功率与2450 MHz的磁控管，循环使用，以防止反射发电机功率，阻抗匹配波导节四个调整螺钉，一个方向性的跨导耦合器匹配的低功耗波导负载监控的入射功率。

反应堆钢管内径94毫米，高120毫米。

微波炉交付由波导通过系统的反应堆在反应堆方面的窗口。

特别的，这是透明的聚合物微波。

在一个聚四氟乙烯插头插入波导反应堆隔离微波从反应堆涂药，因为反应堆运行在较高的压力。

反应堆配备一个压力传感器和1桨式水轮机的机械搅拌器，在200rpm运行。

一个玻璃容器内径90毫米，体积500毫升。

含有反应混合物被放置在钢铁反应堆。

四挡板被添加到玻璃容器，以便更好地混合反应混合物。

温度测量;上线与镍铬镍热电偶和记录,一台电脑,一个玻璃管，这是连接到阀门，被放置在反应器进行采样,被加热到沸点以上。

最后反应混合物中的温升是230和250°C之间。

所施加的压力是在开始的5倍。

在实验中，压力上升到12，因为在反应堆的高温。

 在不同的时间间隔收集标本样品时，因为轻微的压降温度下降。

样本立即冷却停止反应，后来经上一个GC分析。

经过20分钟的微波辐照，微波发生器被关闭，并且反应混合物的温度立刻开始减少。

表1。

活化能和指前因子苯甲酸酯化2-乙基己

所有实验进行了超过10倍苯甲酸2 -乙基己醇转移酯化朝产品。

硫酸（酸度）20.4毫克和对甲苯磺酸（酸度）5.26毫摩尔/克，增加一条，作为均相催化剂。

硫酸锆（酸碱度）为0.2毫摩尔/克，比表面积的Fe2（SO4）3，蒙脱石科安部队使用作为非均相催 化剂Cs2.5H0.5PW12O40（酸度）107-116平方米/克）为0.15毫摩尔/克，比表面积前pared14滴定解决方案的H3PW12O40PA，Darmstat，默克公司，德国）与碳酸铯溶液然后在300℃干燥2小时的产品。

 “表1给出了催化剂的浓度。

在传统的加热实验，200毫升玻璃容器，回流设备和磁搅拌器被放置在恒温水浴。

 “温度维持在（0.5°C和用温度计监控。

实验从50至90°C的温度范围内进行。

在大气压力，磁场的速度搅拌器是高到足以消除外部质量转移电阻。

异构混合物激动采用机械直接驱动搅拌器3厘米的圆形特氟隆刀片在400转速在200 - ML圆底瓶。

酯化反应动力学

  苯甲酸反应生成2-己基苯甲酸和水

这是必要的实验确定苯甲酸酯化反应的动力学参数2-乙基己，因为这杆动力学满足特殊酯化以前没有研究。

酯化反应的动力学参数为阻止在恒温浴中放置了一个玻璃容器开采并配备了回流设备和磁性搅拌器。

2-乙基己被用于大量过剩转移产物酯化走向。

在2 -乙基己醇与苯甲酸我们的实验在大气中使用的温度范围球形压力是一个相对缓慢的反应（图2），需要几天达到平衡。

酯化的产物不溶于水，并形成了一个单独的阶段期间酯化。

因此，水不断被删除，所以，2-乙基苯甲酸酯化己醇的产品转向。

我们采用相同的假设，酯化苯甲酸2-乙基己与我们所用苯甲酸酯化反应动力学与我们认为苯甲酸酯化2-乙基己是一阶和二阶苯甲酸。

其中CB是苯甲酸的浓度，2 -乙基己醇和KF的浓度是率不断向前的反应。

当酒精被用来在大量过剩，反应速度基本上是独立的酒精浓度和EQ可以改为1。

1/C0 - 图3中，其中1/直线绘制随时间的变化，清楚地表明，酯化二阶苯甲酸的HOMO和多相催化反应。

 “反应速率常数也依赖于脾气的温升，并可以由Arrhenius定律描述，其中k0是指前因子，Ea是活化能量，R为气体常数，T为开尔文温度。

活化能指前均匀异质因素催化酯化表1。

多相催化常规加热下的酯化。

这里显示活化能为56千焦耳/（摩尔K）与丙烯酸酯2-ETH-由硫酸催化。

可以看出，从表1活化能为类似硫酸和对甲苯磺酸催化酯化。

 反应速率是依赖于H+浓度，其中包括在指前因子k0。

虽然甲苯磺酸和硫酸的浓度是相同的，反应率较高，为硫酸酸，由于其较高的酸性具体金额。

 活化能与催化的酯化cs2.是类似的活化能的可由催化反应。

然而，激活能量较高时，蒙脱石是关键成功因素，硫化物的氧化锆，和Fe2（SO4）3被用作固体催化剂。

结果与讨论

我们的微波涂药的设计允许高微波能量水平将推出搅拌釜。

几乎所有可用的460瓦吸收在反应堆中，反射功率是最小的。

 420克水加热表明在开始供热率较高，实验（图5），它是相同的不同施加压力。

升温速率随温度的下降（图5）作为热量损失的结果，环境和加热反应堆壁。

最终温度只取决于所施加的压力。

 水达到100℃不到5分钟。

可以计算热流加热速率，其中m是水的质量和CP是比热。

当微波炉被关闭，水温度立即开始减少。

热量从相同的方程可以计算出损失，水的冷却速度。

在开始的时候，所有提供460 W的微波功率转换热。

计算热流在150°C的约350人宽（图6），并在同一计算热损失温度为约100W。

因此，总约450W的微波功率在150°C的吸收，这大约是在吸收的量相同室温。

每单位体积的微波吸收的热量使用由Metaxas方程计算和确定。

其中E是根均方根（RMS）的价值电场强度，f是频率（2450兆赫），0是自由空间的介质常数[8.85一S/（VM）]，κ是相对损耗因子被加热的介质。

在给定的损耗因子频率是物质组成的功能。

它的温度范围25-75°C。

它在2450 MHz的变化320/ţ因此，在较高温度下，少微波功率会被吸收。

然而，实验结果表明，几乎相同功率微波我们在整个温度范围内的吸收。

加热与水加热的比较反应混合物，其中主要包2 -乙基己醇，溶解苯甲酸，催化剂，反应产物，显示（图5），加热速度反应混合物比供热率更高。

 2-乙基己的估计具体为2.12千焦耳/（公斤）在20°C间，这是明显比水的比热小。

根据式4，加热速度更快，比热较小，相同的吸收微波功率。

吸收权力的微波炉从加热率计算水和反应混合物中的类似使用温度范围。

酯化反应的转化率和选择性以上的液体和固体催化剂苯甲酸列于表2。

转换计算根据2-乙基苯甲酸的浓度。

2-乙基己基苯甲酸的浓度是相似苯甲酸的消费，这是限制反应。

结果表明（图7和图8），催化剂比固体催化剂更有效由于在反应中的浓度较高的H+的混合物。

最终反应温度​​达到微波条件列于表2的Fe2（SO4）3是最有效的固体催化剂，在此使酯化转化率较高蒙脱石比为Cs2.5科安部队和硫酸氧化锆（图7）。

但是，关键成功因素morillonite比高出3倍以上Cs2.5和硫酸锆的浓度。

反应酯化率呈线性增加的金额催化剂。

高浓度的Fe2（SO4）3，H2-硫酸允许在率显着增加酯化。

然而，严密控制的反应条件是因为增加催化剂浓度或温度可能会导致脱水，醇，醚和烯烃是主侧在合成酯的反应。

反应的选择性估计辛醇消费和产量2-乙基己酯苯甲酸。

关于95％的选择性硫酸锆和对甲苯磺酸，但观察对甲苯磺酸转换高得多。

Fe2（SO4）3和硫酸了选择性略低。

当使用两种催化剂的量减少。

观察选择性约86％到74％左右，虽然的酯化达到类似的转换在更短的时间。

 96％的转化率达到在12分钟的高浓度硫酸。

进一步加热提高转化率达到98％，但选择性急剧减少，从74％到几乎50％。

应当强调的选择性cs2.5和蒙脱石关键成功因素也非常低。

动力学参数进行单独确定比较微波和常规加热，因为这不可能重现精确的温度微波反应器中的文件，在常规酯化的转换计算从测得的温度分布（图5）传统的热动力学参数下获得。

计算和实验之间的协议显示，在实验中获得心理转换可以预测使用酯化转换根据传统的热动力学参数确定和微波对的没有影响，可由多相催化反应观察。

活性炭吸收微波非常强烈，被添加到反应混合物以促进微波辐射下的局部过热。

结果表明，在没有增加反应混合物的温度加入活性炭比碳被添加到反应混合物中酯化好。

结论

微波炉的搅拌反应釜的体积500毫升的压力升高，结果表明，设计的几乎所有可用的微波涂药启用被吸收的微波功率在搅拌罐反应堆无论在介质的如何变化。

大功率微波发生器在搅拌反应釜中的使用会产生较高热量。

没有特殊的微波效应观察均匀和不均匀催化即使在2-乙基己苯甲酸活性炭的存在。

因此，转换酯化可以成功地预测使用测量温度和反应混合物传统的热动力学参数下获得。

利用微波辐射使人们有可能在很短的时间高温加热反应混合物。

这些工作条件允许的苯甲酸酯化反应时间大大下降。

鸣谢

斯洛文尼亚格兰特科技部J2-7508-0103的技术支持研究。

 “作者S. Gajsek感谢他的技术援助。

参考文献