乳酸正丁醇水乳酸正丁酯四成分批式反应蒸馏系统探讨.docVIP

題目：研究生： 指導教授：程學恆 博士 日期：201/2/4 摘 要本建立了批次式反應蒸餾的實驗，，0.5~1小時取樣並收集了相關實驗操作數據，最終可得到乳酸濃度88wt%。在另一方面，參考了陳正瀚(2010)所得到之乳酸、正丁醇、乳酸正丁酯、水四成分相關系統相平衡數據(≦90wt%)之汽液相平衡數據，以NRTL模式迴歸得到了相關二元交互作用參數，ASPEN軟體模擬上述之酯化與水解批式反應蒸餾程序，二者模擬與吾人實驗結果相當吻合，從而驗証了使用之熱力學參數之正確性，以及以反應蒸餾生產乳酸製程之可行性。 關鍵詞： 反應蒸餾、乳酸、乳酸正丁酯一、前言 (Lactic acid)為重要的化學產品，廣泛應用於醫藥、食品、化工、皮革、合成纖維和塑膠原料等領域，可由化學合成或發酵製得。近年來由於環保議題備受矚目，未來乳酸需求增長主要來自兩方面：聚乳酸、乳酸酯溶劑。乳酸的需求量原逐年以5~8%的速度增加上升，由於乳酸為原料合成的綠色溶劑(乳酸酯)和生物可分解塑膠(聚乳酸)製品的成功開發與利用，未來對聚乳酸與乳酸酯之需求量大大的提升時，乳酸的需求將逐年以14~19%的速度增加上升，其中聚L 型乳酸(PLA)具生物可分解性質，本身亦無毒性而深受重視，將成為生產新一代的生物可分解材料塑膠的重要起始原料，而乳酸酯乃一種綠色溶劑，可替代現所使用之有機溶劑，此可避免環境污染之問題。 二、研究動機 (bipolar membrane electrodialysis)、鈣鹽酸解法(precipitation by calcium salt)、雙水相萃取法(aqueous two-phase extraction)和吸附發酵法(adsorption fermentation)等，而這些方法由於成本過高或生產的乳酸純度低，其應用有一定的局限性。而採用反應蒸餾法(reactive distillation) 三、文獻回顧反應蒸餾2.1顯示大約有180篇論文與100件專利發表於2001-2003，圖1Ryan and Doherty(1989)及Pham et al.(1990)提出蒸餘曲線圖(Residue Curve Map)。蒸餘曲線(Residue Curve)為假設蒸餾塔是無限板數與無限回流比的條件下所得之近似蒸餾程序的平衡行為，其利用蒸餘邊界(Distillate Boundary)與蒸餘曲線配合的觀念可從傳統連續蒸餾塔的進料組成推斷穩態時之塔內組成分佈。因此蒸餾曲線圖常用來做為蒸餾塔的可行性分析與設計。蒸餾製程的理論蒸餘曲線圖乃是記錄一簡單批式蒸餾如圖2的液相濃度隨時間之變化曲線。圖2(a)示意圖(b)液相組成 簡單批式蒸餾其質量平衡式如下： (1) (2) 將(2)式整理可得： (3) 令一個無因次時間變數 (4) 將(4)式代入(3)式，可得殘餘曲線表示式： (5) 一般殘餘曲線(residue curve map, RCM)具有下列幾個特性： (1) 給予一起始之液相組成，其殘餘曲線軌跡是唯 一的，且不會與其他殘餘曲線相交。 (2) 一般而言，殘餘曲線會指向高沸點之組成。 (3) 在已知壓力下，殘餘曲線只與汽液平衡(VLE) 有關，不會受到進料量影響。 (4) 殘餘曲線切線為汽液相平衡組成，可由殘餘曲 線微分式觀察出汽液相組成變化。 藉殘餘曲線的特性與分析，可以觀察出共沸情形，了解簡單蒸餾之分離程序是否可行。將其應用到連續式蒸餾塔，也可預測其塔內液相組成(Doherty and Malone, 2001)，進而分析連續式蒸餾塔是否可行。在蒸餾塔可行性分析中，蒸餾除了需滿足質量平衡且塔頂與塔底產品濃度應同一條殘餘曲線通過，而其無法過蒸餾邊界(distillation boundary)。Monroy-Loperena and Alvarez-Ramirez (2000) 對乙醇與乙酸酯化反應設計輸出回饋控制(output-feedback control)以觀察與模擬的誤差。Giessler et al. (2001) 最適化過程中選擇回流比(reflux ratio)與加熱(heat duty)作為變數，比較不同的模式與目標方程式的最適化。 四、反應蒸餾技術必須同時兼顧化學反應與相平衡等效應，其物理與化學現象相當複雜。建立此種省能的新生產方法，必須能掌握反應蒸餾系統中之均相或非均相反應動力行為、相平衡行為，並且能深入瞭解系統特性，以及反應蒸餾系統的穩