醋酸苯酯與碳酸二甲酯合成碳酸二苯酯之熱結合反應蒸餾系統的設計

鄭凱

指導教授 ： 汪上曉

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00182

摘要

聚碳酸酯具有優良的機械、化學和電子性能，應用範圍非常廣泛，已成為泛用工程塑膠中生產規模最大者，自從具劇毒的光氣被碳酸二苯酯取代，與雙酚A反應合成聚碳酸酯此種對環境有利的新技術被發展後，碳酸二苯酯的需求大增，使最近幾年碳酸二苯酯的研究與開發成為熱門重點。碳酸二苯酯的合成主要使用光氣法與非光氣法，但光氣法中所使用之光氣的劇毒和强腐蝕性以及相當數量副產物的產生，使此法不利於清潔生產和環境保護，本研究以無毒之綠色化學品-碳酸二甲酯為原料，使用酯交換法來合成碳酸二苯酯，以取代對環境不利的光氣法。
程序強化是綠色化學程序的尖端技術之一，已成為發展化工程序技術非常重要的趨勢，反應蒸餾與熱結合蒸餾是對高耗能的傳統蒸餾實施程序強化後可獲得非常明顯經濟效益的技術。在以酯交換法合成碳酸二苯酯的製程中，包括了一些串級反應與多個反應物和產物的分離，這些酯交換反應皆為受平衡限制的反應，但在以酚與碳酸二甲酯進行轉酯化反應系統中，因具有低轉化率、會發生副反應與產生共沸物的缺點，因此本研究以較具經濟效益的醋酸苯酯與碳酸二甲酯進行酯交換合成碳酸二苯酯之反應系統為對象，探討同時具有分離、反應與節能功能的反應蒸餾綠色製程之設計策略。為提高反應轉化率，本研究使用過量的碳酸二甲酯反應物進料，以年總成本為目標函數，設計醋酸甲酯、碳酸二甲酯與碳酸二苯酯產品符合高純度要求的最適化程序，並結合熱結合蒸餾技術，探討其對能源效率的影響，模擬結果顯示所設計之熱結合反應蒸餾程序，不僅可消除原反應蒸餾塔內之再混合效應，且可使反應段之反應物濃度更接近其進行反應所需之莫耳比，能源消耗可因此大幅降低，提供了更具經濟效益的碳酸二苯酯合成製程。

關鍵字

反應蒸餾 ； 醋酸苯酯 ； 碳酸二甲酯 ； 熱結合 ； 碳酸二苯酯 ； 設計

參考文獻

[1] A. K. Jana, "Heat integrated distillation operation," Applied Energy, vol. 87, pp. 1477-1494, 2010.

[2] I. Mueller and E. Y. Kenig, "Reactive distillation in a dividing wall column: Rate-based modeling and simulation," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 46, pp. 3709-3719, May 23 2007.

[3] A. K. Kolah, N. S. Asthana, D. T. Vu, C. T. Lira, and D. J. Miller, "Reaction kinetics for the heterogeneously catalyzed esterification of succinic acid with ethanol," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 47, pp. 5313-5317, Aug 6 2008.

[4] Y. T. Tsai, H. M. Lin, and M. J. Lee, "Kinetics of Catalytic Esterification of Propionic Acid with Methanol over Amberlyst 36," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 50, pp. 1171-1176, Feb 2 2011.

[5] M. J. Lee, P. L. Chou, and H. M. Lin, "Kinetics of synthesis and hydrolysis of ethyl benzoate over Amberlyst 39," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 44, pp. 725-732, Feb 16 2005.