论文摘要
反应蒸馏塔将反应操作和分离操作集成在一个装置内,不仅能够降低系统所需能耗,还能减少过程所需设备投资。正是由于巨大的节能潜力和经济效益,使得其近年来成为许多专家和学者研究的热点。尽管图示法、启发式搜索等传统的设计方法在一定程度上解决了反应蒸馏系统的初步设计问题,但仍没有从反应与分离操作层面上充分挖掘反应蒸馏过程的内在潜力,极大的限制了它的推广与应用。本课题组根据反应热与汽化热之间比值的大小关系,将反应蒸馏过程分为具有大量热效应、中等热效应和较小/无热效应三类。基于能量耦合与物质耦合原理归纳了反应蒸馏塔强化的基本策略,最终提出了套反应蒸馏塔综合与设计的强化方法。为了进一步验证所提方法的有效性,本文以前人文献中通过启发式设计方法得到的乙酸甲酯和2-戊烯反应蒸馏过程为基础,利用过程强化方法对其进行重新设计。结果表明,经过强化设计后的乙酸甲酯和2-戊烯反应蒸馏过程的再沸器热负荷较未进行强化设计方案分别减少4.52%和5.59%,而且设备投资有了一定程度的降低。反应操作从外置反应器移到蒸馏塔内部可以增强反应操作与分离操作之间的耦合作用,降低系统所需的操作费用和设备费用,但这也增强了系统的复杂性,因此反应段的分布是反应蒸馏系统设计与控制折衷的关键因素。在本文中,同样以2-戊烯反应蒸馏塔为例,通过四种反应段分布不同的设计方案研究了反应段分布对系统设计与控制的平衡作用。结果表明,在不损失动态特性的情况下,反应段的分布可以改善系统的静态性能。这也充分说明了反应段分布可以成为个反应蒸馏塔综合设计与动态控制折衷的有效变量。双进料操作的实质是改变了部分物料的进料位置,也会增强反应蒸馏过程中反应操作与分离操作之间的内部耦合作用。本文以理想反应蒸馏过程、乙二醇反应蒸馏过程和2-戊烯反应蒸馏过程为例,研究了双进料操作对反应蒸馏塔稳态设计与动态特性的影响。研究结果表明,双进料操作可以使反应蒸馏塔所需能耗降低3.98%-18.3%,但也使得系统的动态响应变慢,对系统的稳态设计与动态特性也存在着折衷的效果。本课题组根据反应蒸馏过程中反应热与汽化潜热之间的关系,将反应蒸馏过程分为三类,依据能量耦合与物质耦合原理,提出了一套反应蒸馏过程的强化设计方法。本文以乙酸甲酯和2-戊烯反应蒸馏过程为例验证了过程强化方法的有效性,极大地丰富了反应蒸馏过程的强化设计理论,对反应蒸馏技术的发展具有重要的促进作用。同时反应段的分布和双进料操作对反应蒸馏过程的设计与控制存在折衷的作用,对于反应蒸馏过程的强化具有一定的指导意义。
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