4–丙烯酸羟丁酯高效催化与分离纯化

申报人：米俊达申报日期：2024-11-26

基本情况

所属批次:

2025年度大学生创新创业训练计划

项目名称:

4–丙烯酸羟丁酯高效催化与分离纯化学生选题

项目类型:

创新训练项目

所属一级学科:

工学

所属二级学科:

化工与制药类

项目来源名称:

教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年半期

项目简介:

本项目旨在建立HBA高效催化合成与纯化工艺，重点在于筛选出具有高1,4-丁二醇转化率、高HBA选择性的新型环保催化剂，用于HBA的生产，并设计低能耗、低损耗的HBA产品纯化工艺。

负责人曾经参与科研的情况:

参与”基于机器学习模型关联锂离子电池性能-工艺参数“课题的研究，主要负责数据预处理，模型构建及优化等工作。

指导教师承担科研课题情况:

国家自然科学基金优秀青年基金（海外）项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、双一流学科青年教师种子项目等10项

指导教师对本项目的支持情况:

定期开展线上线下的课题交流，提供学生开展模拟与实验研究必要的计算和实验室资源。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	米俊达	化工学院	化学工程与工艺	2023	项目策划与管理	第一主持人
2	杨壹博	化工学院	资源循环科学与工程	2023	结题论文撰写	成员
3	黄晓林	化工学院	化学工程与工艺	2023	数据收集与分析	成员
4	孔令钰	化工学院	化学工程与工艺	2023	工艺流程构建与优化	成员

指导教师

序号	教师姓名	教师账号	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	宋震	09070	化工学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

当前丙烯酸酯工业生产中常用传统催化剂为硫酸和对甲苯磺酸，虽催化效果良好，但存在分离困难、无法重复使用、腐蚀设备、污染环境等问题。此外，由于反应物中的1,4-丁二醇具有与HBA相近的沸点与极性，且会与HBA共沸，因此其反应转化率的提高将直接影响后续产品的分离难易。本项目旨在建立HBA高效催化合成与纯化工艺，重点在于筛选出具有高1,4-丁二醇转化率、高HBA选择性的新型环保催化剂，用于HBA的生产，并设计低能耗、低损耗的HBA产品纯化工艺。

研究内容:

本项目研究首先收集文献与企业公开数据汇中报道的高效酯化反应催化剂并结合实验筛选出催化效果最佳的催化剂；然后，分别研究催化剂用量、酸醇比、温度、反应时间等重要反应条件对产率的影响，进而得到制备HBA的最优反应体系；最后，通过Aspen plus构建优化HBA纯化工艺流程。

国、内外研究现状和发展动态:

当前制备HBA的主要方法为丙烯酸与1,4-丁二醇在酸性催化剂作用下直接酯化。丁斌等选择硫酸作为催化剂，虽然价格便宜且活性较高，但是硫酸的碳化性、对生产设备的腐蚀性等特性限制了其真正投入到工业生产中。作为替代方案，古丽米热·吐尔地等使用对甲苯磺酸作为催化剂进行HBA合成，该催化剂是当前HBA合成最常用的催化剂之一，相对硫酸，其一定程度上降低了催化剂对设备的腐蚀，但生产中仍会产生大量酸性废水，污染环境。此外，当前多采用1,4-丁二醇过量的方式提升HBA选择性，但由于1,4-丁二醇与HBA形成共沸物，未反应的1,4-丁二醇会极大地提高HBA的纯化难度。

创新点与项目特色:

本项目聚焦于催化剂体系的筛选与应用，从HBA产品生产全局考虑，以1,4-丁二醇的转化率和HBA选择性作为催化剂筛选的主要指标，结合反应条件优化与分离过程的整体设计与优化创新。希望通过寻找最具实际应用潜力的催化剂体系，探究最优的反应条件，同时结合过程模拟，从工业生产需求出发构建低损耗的HBA纯化工艺，最终建立高效的HBA合成与纯化工艺进行优化的目的。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

预期结果：申请相关研究专利一项；发表中文核心期刊及以上水平学术论文一篇；在项目时间允许情况下参加中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技大赛等赛事。

项目研究进度安排:

2024年11月-2025年2月：申报项目，进行前期文献资料的搜索整理和阅读归档，了解丙烯酸酯在光刻胶等重要科研领域的应用，明确当前合成HBA常用的方法与催化剂，明确研究意义和研究方案，撰写摘要和综述，确定团队成员分工。

2025年2月-2025年3月：收集文献与企业公开数据中现有用于酯化反应的催化剂，分析催化剂的种类、性质等对酯化反应结果的影响，筛选出其中效果显著的催化剂体系。依据所收集催化剂体系特点，设计初步实验方案。

2025年3月-2025年5月：对收集到的具有较高应用潜力的催化剂体系进行初步实验研究，考察相同反应条件下不同催化剂对1,4-丁二醇转化率与HBA选择性的影响，筛选出最具实际应用潜力的催化剂体系，并从反应机理等方面分析该催化剂优于其他体系的原因。

2025年5月-2025年10月：对初步实验验证中具有最高催化能力的催化剂进行深入的实验研究，考察催化剂用量、酸醇比、温度、反应时间等重要反应条件对HBA合成过程主要指标的影响，探究最优反应条件，同时考虑采用鼓泡等方式强化反应过程，提高反应转化率，从热力学和动力学的角度进行反应过程优化。

2025年10月-2025年2月：在Aspen Plus中基于所得实验数据进行热力学和动力学模型的评估与选择，构建HBA合成与纯化工艺流程，并进行主要参数的灵敏度分析。

2026年3月-2026年5月：整理完成项目结题论文的撰写，准备项目结题考核答辩。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

本项目前期已完成鼓泡强化的酯化反应设备与反应精馏设备的搭建，并通过文献阅读初步确认了该反应需探索优化的反应条件与可选催化剂，根据文献阅读结果初步建立反应方案，同时，本项目已成功建立该反应体系产物的检测方法。此外，本项目同步考察利用过程模拟建立反应产物后续分离工艺的可行性，初步制定了相关研究路线。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

设备方面：鼓泡酯化反应设备（实验室搭建），反应精馏设备（实验室搭建），旋转蒸发仪，气相色谱仪(Agilent 7890、Agilent 8860)、高效液相色谱(Shimadzu 2010A)等实验和分析检测设备。

计算软件方面：项目所在课题组已配置4台可用于深度学习模型训练的GPU工作站，拥有COSMOthermX (Version 2022)和ProCAMD等软件。国家重点实验室拥有高速并行计算的曙光4000A超级计算机集群以及总计包含150计算节点的戴尔HPCC(high performance computing cluster)系统，并已安装有Gaussian 09、Materials Studio、GROMACS、LAMMPS等分子模拟软件和Aspen Plus、gPROMS等大型化流程模拟软件；项目所在课题组也长期租赁了北京超级云计算中心总计包含50计算节点的ZC-M6超算系统，单节点配置具体为AMD 7H12@2.6GHz，128核，512 GB内存。

尚缺少的条件：反应精馏设备当前仅可进行常压反应，后续计划通过更好设备配件，实现略低于常压的减压精馏。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	21000.00	无	12000.00	9000.00
1. 业务费	4000.00	无	2000.00	2000.00
（1）计算、分析、测试费	3000.00	催化剂的表征分析	1500.00	1500.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	1000.00	奉贤徐汇校区往返车费	500.00	500.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	0.00	无	0.00	0.00
2. 仪器设备购置费	10000.00	反应设备的改进优化等	6000.00	4000.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	7000.00	用于购买反应原料、催化剂、阻聚剂等	4000.00	3000.00

项目附件

HBA大创项目申报书.doc

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结束

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