（控制科学与工程专业论文）乙酸戊酯反应精馏塔的综合设计与控制强化内部物质耦合的影响.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 雠蚴 y 1 8 7 芗。考。i 。芗 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：盏蛊a日期： 型! ! 孽皇臼! 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：i 奄韪日期：趁址净凰! 鲺 导师签冬：名善姐日期： 学位论文数据集 中图分类号 1 1 p 1 8 学科分类号 l2 0 3 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 8 3 1 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名潘晶学号 2 0 0 8 0 0 0 8 3 1 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码 0 8 l 1 0 1 课题来源国家自然科学基金研究方向化工过程的设计与控制 论文题目 乙酸戊酯反应精馏塔的综合设计与控制一强化内部物质耦合的影响 关键词反应精馏塔；乙酸戊酯；内部物质耦合；过程设计 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 6 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师黄克谨教授北京化工大学化工系统工程 评阅人1 张贝克教授北京化工大学控制科学与工程 评闵入2崔玉龙副教授北京化工大学控制科学与工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辫委员纵李宏光教授北京化工大学控制科学与工程 答辫委员l陈娟教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员2崔玉龙副教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员3 夏涛副教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员4曹政才副教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员5 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在( 中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 乙酸戊酯反应精馏塔的综合设计与控制一强化内部物质耦合的 影响 摘要 反应精馏过程作为一个强化传统化学过程的有效方法，它在近几年再 度引起人们的兴趣。反应精馏塔通过寻找反应段与分离段的深度耦合来进 行工艺流程性能的提高，相比于常规精馏塔，反应精馏具备显著的节能和 降低投资的优点。尤其是在酯化反应和醚化反应方面应用非常广泛。因此， 如何使反应精馏过程实现性能的大幅度优化，成为了国内外的研究热点， 也是本文的主要研究目的。 在反应精馏塔中，根据反应热与反应混合物的汽化潜热的比率大小的 不同，理论上通常将反应精馏塔划分为三种类型：大量热效应反应精馏塔， 中等热效应反应精馏塔和无热效应反应精馏塔。反应和分离相结合这个理 论很早以前就被注意了但是实际应用仍然很少见，现有的提高反应精馏塔 热力学性能的方法，大多存在于大量热效应反应精馏领域，而对于无热效 应反应精馏塔，至今仍没有提出系统的提高系统静态和动态性能的综合与 设计方法。对于包含可忽略反应热的反应精馏塔来说，由于反应热很小， 几乎是可以忽略的，因此反应段与精馏段的内部热耦合的作用对于系统的 影响也是可以忽略的。热力学效率可以通过强化反应段和分离段的内部物 质耦合的方法来进行综合设计，可以有效地提升反应精馏系统的热力学效 率。 本文以乙酸戊酯反应精馏塔为代表，研究强化内部物质耦合在无热反 北京化工丈学硕卜学位论文 应精馏塔中的应用。其设计优化方法包括反应段与精馏段的耦合，反应段 与提馏段的耦合，进料位置的再定位，以及催化剂的重新分布，对这四种 方法合理地加以综合运用，可以得到一个系统化的强化设计策略。 研究结果表明，对于乙酸戊酯反应精馏塔，在使用“强化内部物质耦 合 方法进行过程综合设计后，系统能耗出现了大幅度的减少，系统的热 力学效率显著提高，设备费用和操作费用也会相应地减少，同时还改善了 系统的可控性和可操作性。这个结论也可以广泛的应用于其他无热反应精 馏系统中。也进一步说明在含有无热反应精馏系统中强化内部物质耦合具 有重要的意义和作用。 关键词：反应精馏塔，乙酸戊酯，内部物质耦合，过程设计，可控性 h a b s t r a c t s y n t h e s i s ，d e s i g n a n dc o n t r o lo fa m a c r e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m n - i n t e n s i f y i n g i n t e r n a l 【a s si n t e g r a t i o n a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v ew a yo fs t r e n 出h e n i n gm e t h o df o rt r a d i t i o n a lc h e m i c a l p r o c e s s ，r e a c t i v ed i s t i l l a t i o ns y s t e mh a sg a i n e dr e n e w e di n t e r e s t i nr e c e n t y e a r s i nt h ec h e m i c a lp r o c e s s ，t h ep e r f o n 】1 a n c eo fr e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc 0 1 u m n i sg r e a t l yi m p r o v e dt h r o u g hs e e k i n gt h e 如r t h e ri n t e g r a t i o no fr e a c t i o ns e c t i o n a n d s 印a r a t i o n s e c t i o n c o m p a r e d t oc o n v e m i o n a ld i s t i l l a t i o n ，r e a c t i v e d i s t i l l a t i o nh a s s i g l l i f i c a n ta d v a n t a g e s i n e n e r j g y s a v i n g a n d i n v e s t m e m r e d u c i n g ，e s p e c i a l l yf o re t h 耐f i c a t i o na n de s t e r i f i c a t i o n t h em a i n o b j e c to ft h i sp 印e ri st oa c t i v a t em ep o t e n t i a lo ft h er e a c t i v ed i s t i l l a t i o n c o l u n 】吡si nt h ec h e m i c a lp r o c e s si n d u s t r y i nt e m l so ft h er a t i ob e t w e e nt h et h e m a lh e a tr e l e a s e db yt h er e a c t i o n s i n v o l v e da n dm el a t e n th e a t o ft h er e a c t i n gm i x t u r e ，r e a c t i v ed i s t i l l a t i o n c o l u m n sc o u l db ed i v i d e di n t ot h r e eb r o a dc a t e g o r i e s ：t h o s ew i t hh i 曲l y t h e 咖a l e f f e c t ，t h o s ew i t hc o n s i d e r a b l y t h e m a le f r e c ta n dt h o s ew i t h n e g l i g i b l eo rn ot h e h l l a le 蜀f e c t a l t h o u g ht h ec o m b i n a t i o no f r e a c t i o na 1 1 ds 印a r a t i o nh a sb e e nn o t e df o ra l o n gt i m e ，t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa r es t i l lr a r ea n d m o s to ft h e ma r ea c t l l a l l y 北京化工大学硕士学位论文 a b o u tt h er e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m n sw i t hh i g h l yt h 咖a le 虢c t ，a n da l m o s t n os y s t e m a t i c 印p r o a c hh a sb e e np r o p o s e dr e g a r d i n gt h es y n t h e s i sa n dd e s i 印 o fr e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u 砌sw i t hn e g l i g i b l eo rn ot h e m l a le f r e c t f o rt 1 1 er e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m n si n v o l v i n gr e a c t i o n sw i t hn e g l i g i b l e o rn ot h e 咖a le f j f e c t ，as y s t e m a t i cm e t h o df o r 如n h e ri n t e m a lm a s si n t e g r a t i o n i sp r o p o s e dt oi m p r o v et h et h e n n o d y i l a m i ce f j e i c i e n c y t h e 锄y la c e t a t er e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u 枷i ss t u d i e di nt m sp a p e r f o u r s t r a t e g i e s ，i n c l u d i n gt h es u p e r i m p o s i t i o no fr e a c t i v es e c t i o no n t or e c t i 研n g a n ds t r i p p i n gs e c t i o n s ，r e l o c a t i o no ff e e ds t a g e s ，a n dr e d i s t r i b u t i o no fc a t a l y s t w i t h i nt h er e a c t i v e s e c t i o n ， c a nb ea p p l i e dt oi m e n s i 匆i n t e m a lm a s s i n t e g r a t i o n a ut h ea b o v ep h i l o s o p h i e sa r ei n t e n s i v e l ys t u d i e dt h r o u g ht h eo p e r a t i o n o ft h e 锄y 1a c e t a t er e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m t h e p r o p o s e dp h i l o s o p h i e sf o r d e 印e n i n gi n t e m a lm a s si n t e 铲a t i o nc o u l db ee 丘t i v ei nr e d u c i n ge q u i p m e n t c o s t sa n do p e r a t i n gc o s t s ，t h u st h et h e n n o d y n 锄i ce 艏c i e n c yh a sa l s ob e e n i n c r e a s e d a c c o r d i n 9 1 y ， a tt h es a m e t i m e ， t h e c o n t r o l l a b i l i t y 2 u l d m a n e u v e r a b i l i t yo ft h es y s t 锄h a v eb e e ni m p r o v e do b v i o u s l y t h eo b t a i n e d r e s u l t ss h o wt h a td e 印e n i n gi n t e m a lm a s si n t e g r a t i o nc o u l d s i g n i f i c a n t l y i n l p r o v e t h es t a t i c f - e a t u r e s ， c o n t r o l l a b i l i t y a n d o p e r a b i l i 哆o fr e a c t i v e d i s t i l l a t i o nc o l u m n si n v o l v i n gr e a c t i o n sw i mn e g l i g i b l eo rn ot h e 咖a le f r e c t t h e s es t r i b n gr e s u l t sm a n i f e s te v i d e n t l yt h es i g n i f i c a n c ea i l ds t r o n gn e c e s s 埘 o fd e 印e n i n gi n t e m a lm a s si n t e g r a t i o ni nm es 弘l t h e s i sa n dd e s i g no fr e a c t i v e i i a b s t r a c t d i s t i l l a t i o nc o l u m n s k e yw o r d s ： r e a c t i v ed i s t i l l a t i o n ， 锄y l a c e t a t e ，i n t e m a lm a s s i n t e g r a t i o n ，p r o c e s sd e s i g n ，c o n t r 0 1 l a b i l i t y i i l 北京化工大学硕士学位论文 l v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究意义和目的2 1 3 研究内容3 第二章反应精馏系统的研究5 2 1 反应精馏塔的发展历史与现状5 2 2 反应精馏塔的建模7 2 2 1 反应精馏塔的静态模型7 2 2 2 反应精馏塔的动态模型8 2 3 反应精馏塔的综合与设计9 2 4 反应精馏塔的控制1 1 2 5 本章小结1 3 第三章强化内部物质耦合反应精馏塔的研究1 5 3 1 反应精馏塔的分类1 5 3 2 强化内部物质耦合的提出1 6 3 3 强化内部物质耦合的方法1 6 3 4 强化内部物质耦合实现策略的综合研究1 9 3 4 1 大量热效应反应精馏塔1 9 3 4 2 中等热效应反应精馏塔1 9 3 4 3 少量热效应反应精馏塔1 9 3 5 本章小结2 l 第四章乙酸戊酯反应精馏塔强化内部物质耦合的综合与设计2 3 4 1 乙酸戊酯反应精馏塔的过程描述：2 3 4 2 乙酸戊酯反应精馏塔的静态模型的建立2 4 4 2 1 塔的结构和静态参数2 4 4 2 2 基本塔的静态特性2 7 v 北京化工大学硕士学位论文 4 3 乙酸戊酯反应精馏塔的内部物质耦合2 9 4 3 1 设计方法2 9 4 3 2 强化内部物质耦合乙酸戊酯反应精馏塔的静态优化结果3 0 4 4 本章小结3 7 第五章强化内部物质耦合对乙酸戊酯反应精馏塔动态性能的影响3 9 5 1 乙酸戊酯反应精馏塔控制系统的设计3 9 5 1 1 灵敏度分析4 1 5 1 2 控制器的设计4 2 5 2 乙酸戊酯反应精馏过程的动态响应4 2 5 3 强化内部物质耦合对过程控制的影响5 0 5 4 本章小结5 1 第六章结论与展望5 3 6 1 结论5 3 6 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢6 1 研究成果及发表的学术论文6 3 导师与作者简介6 5 c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k 目0 u n d 1 1 2m o t i v a t i o na i l d 哪s e 2 1 3c o n t 咖o f t h i sp a p e r 3 c h a p t e r 2o v e r 、r i e wo fr e s e a r c ho nr ds y s t e m 5 2 1h i s t o r 、，a n dc u r r a l ts i m a t i o no f r dc o l u 】：m l s 5 2 2m o d e l i n go f r dc o l 硼 1 l l s 7 2 2 1s t e a d vs t a t em o d e lo f r dc 0 1 1 瑚n s 7 2 2 2d l a m i cm o d e lo f r dc o l l l m n s 8 2 3s y n m e s i sa 1 1 dd e s i 印o f r dc o l u m n s 9 2 4 卸e r a b i l 时a 1 1 dc o n 们lo f r dc o l u n 1 1 1 s 1 1 2 5c o n c l u s i o n s 1 3 c h a p t e r3s t u d yo fr dc o l u m n w i t h d e e p e n i n gi n t e r n a l m a s s i n t e g r a t i o n 1 5 3 1c a t e g o d ro f r dc o l 硼m s 1 5 3 2p r o p o s a lo f d e 印e i l i n gi n t e n l a lm 勰si n t e 伊a t i o n 1 6 3 3m 劬e d so f d e e p e i l i n gi 觚r i l a lm 弱s 诚e 笋a t i o n 1 6 3 4a s e q u t i a lp r o c e d u r eo f d e e p e l l i n gi n t e m a lm 嬲si n t e 黟a t i o n - 1 9 3 4 1r dc o l l m mw i t l lh i 曲l yt l l 锄a le 丘l c c t 1 9 3 4 2r dc o l u m nw 油c o l l s i d e r a b l ym 锄a le 侬l c t 1 9 3 4 3r dc o l l 】m nw i t l ln e 西i 百b l et l l e r m a le 日e c t 1 9 3 5c o n c l u s i o n s 2 1 c h a p t e r4p r o c e s ss y n t h e s i sa n dd e s i g no fa i i i a cl 王dc o l u m nw i t h d e e p e n i n g i n t e r n a lm a s si n t e g r a t i o n 2 3 4 1p r o c e s sd e s c r i p t i o no f a m a cr dc o l 啪n 2 3 4 2e s t a b l i s hm es t e a d ys t a t em o d do f a m a cr dc o l 啪2 4 v 北京化工大学硕士学位论文 4 2 1s t r u ( 舭a i l ds t e a d ys t a t ep a r a l m e t e 2 4 4 2 2s t e a d ys t a t ef e a m r e s 2 7 4 3s e e 虹n g 缸曲e ri i l t e n l a lm 髂si n t 哆a t i o ni na m a ci mc o l m 2 9 4 3 1d e s i 印p r o c e d u r 髓2 9 4 3 2o p t i m i z a t i o no fa m a cr dc o l u m nw i t hd e 印e n i n gi i i t 锄a lm a s si 1 1 t e 鲥i o n 3 0 4 4c o n c h l s j o n s 3 7 c h a p t e r5e f i f e c to fi n t e r n a im a s si n t e g r a t i o no np r o c e s sd y n a m i c s a n dc o n t r o l l a b i h 够i na m a cr dc o l u m n 3 9 5 1s ) ，i l m e s i s 锄dd e s i 印o f c o i l t r o ls y s t e mi i la m a cr dc o l 硼 1 i l 3 9 5 1 1s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 4 1 5 1 2s e l l s i t i v i t ya 1 1 a l y s i s 4 2 5 2d y n a m i c r e s p o n s eo f a m a cr dc 0 1 u m n 4 2 5 3e 仃e c to ft l l ei n t e n l a l lm a s si n t e 铲a t i o no np r o c e s sc o i l 仃o l l a b i l i 锣5 0 5 4c o n c l u s i o n s 5 1 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 5 3 6 1c o n c l u s i o n s 5 3 6 2p r o s p e c t 5 4 r e f b r e n c e s 5 5 a c l 【n o w i e d g e m e n t 6 1 a c h i e v e m e n ta n d p u b u s h e dp a p e r 6 3 i n t r o d u c t i o no ft h et i l t o ra n da u t h o r 6 5 v l i i 符号说明 符号说明 乙酸戊酯 戊醇 塔底产品流量，k m o l r 塔板直径，m d 锄i k 6 h l c r 特征数 反应物流量，k m o l s _ 1 流量控制器 塔高，m 醋酸 汽化热，l 【j k m o r l 反应热，l 【j k m o r l 组分标号 塔板标号 气液平衡常数 比例增益 临界比例增益 液体流量，k m o l s - 1 液位控制器 塔板持液量，m 3 塔板数 反应段耦合到提馏段的塔板数 乙酸戊酯进料位置上升的塔板数 精馏段的塔板数 反应段的塔板数 提馏段的塔板数 压力控制器 进料热状况 再沸器热负荷，k w 冷凝器热负荷，k w 反应速率，k m o l s _ 1 精馏段 反应段 回流量，k m o l s _ 1 c 吁 4 c c 矿尺 g 饥砌曰d肪f乃日删胴胴，翰疋工m以以以mm粥g办妨r r 脚歙 北京化工大学硕士学位论文 提馏段 温度，k 积分时间，s 临界积分时间，s 蒸汽流量，k m o l s _ l 塔底产品浓度 塔顶产品浓度 反应蒸馏 水 年度总成本 删 x s r乃易矿局场肋耻撇 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 化工过程在工业生产以及促进社会发展发面起着至关重要的作用，而化工过 程中的重中之重就是他的工艺设计和操作性能，因此受到相关工作者的广泛关 注。近年来，由于人类活动作用于周围环境所引起的环境质量变化，以及能源供 应短缺所造成的能源危机，尽可能地减少能源消耗量，生产出与原来同样数量、 同样质量的产品，越来越受到全世界各国的高度重视，而解决这一问题的根本方 法就是尽可能的节能减排。由于石油以及化工行业在世界能源的应用上占了很大 的比例，因此石油化工行业的节能研究作为对世界能源危机的一个拯救措施显得 尤为重要，很多相关学者也把精力放在研究化工过程的节能研究当中，其中尤以 精馏过程的节能研究倍受世界各国工作者得关注【l 】。因此如何对化工过程进行合 理的有效地系统强化，达到各种能源的有效高效利用，使能源紧缺问题得到改善， 达到节能环保的目的，在全世界的各个领域中都已经成为了广泛关注的焦点。 反应精馏过程虽然不是一个新概念，但作为传统化学过程强化的有效方法， 成为了近年来精馏技术领域的研究热点。在化学工业中，反应过程和分离过程通 常是分开在单独的设备中进行的，而反应精馏塔突破了传统的观念，启发性的将 反应过程与分离过程结合起来，结合在同一个设备中，这就有效的减少了化工过 程中的设备费用，同时增强了反应过程和分离过程的相互作用，反应过程可以为 分离过程提供能量，或者通过物质的相互作用，是能量最大化的合理利用，达到 了节能效果【2 - 3 1 。反应和分离相结合这个理论很早以前就提出了，但是很少将其 付诸商业实践，直到生产醋酸甲酯时才有应用m 。尽管同时进行反应过程和分 离过程有明显的优势，但由于与传统的精馏不同，由于反应过程和分离过程的相 互作用，使得反应精馏塔相对于传统化工过程的静态性能和动态特性也更加复 杂，反应精馏过程仍然只能对很少的一些反应进行，应用十分有限，因此在反应 段和分离段的强化方法和具体的工艺过程的设计有很大的关系【_ 丌。 反应精馏塔通过寻找反应段与分离段的深度内部耦合来进行工艺流程性能 的提高，在s u n d m a c h c r 和鼬e 1 1 l e 所列出的应用了反应精馏塔的7 4 篇文献中， 大部分的反应精馏塔都应用于醚化反应和酯化反应【8 以2 1 。对于包含可忽略反应热 的反应精馏塔来说，由于反应热很小，几乎是可以忽略的，因此反应段与精馏段 的内部热耦合的作用对于系统的影响也是可以忽略的。热力学效率可以通过强化 反应段和分离段的内部物质耦合来大大的提高热力学效率。本文中，乙酸戊酯反 应精馏塔即是无热效应的反应精馏塔，因此本文通过几种耦合方法，包括反应段 南秘枣 1 北京化工大学硕士学位论文 与精馏段的耦合，反应段与提馏段的耦合，进料位置的再定位，以及催化剂的重 新分布这四种强化方法的结合与协调来对乙酸戊酯反应精馏过程进行优化设计， 最终实现带有可忽略反应热的反应精馏塔的静态性能的大幅度优化，并考察它们 对系统动态性能的影响。 1 2 研究意义和目的 反应精馏技术已经历了数十年的发展，如今的反应精馏技术在应用基础研 究、工程研究以及实际的工厂应用等方面都已经取得了相当大的成就。但是由于 反应精馏是将反应过程与精馏过程相结合，因此反应精馏的过程很容易被很多参 数影响，相应的对反应精馏研究起来要比单独的反应或精馏相对困难些，因此到 目前为止，反应精馏的优势并没有被最大限度的显现出来，至今也没有一套通用 的完整的研究反应精馏过程的整体策略方法。对反应精馏系统进行静态特性研究 的诸多文献中，虽然已经取得了比较显著的成就，但是目前的众多研究方法仍然 不是很系统，仍不能充分的体现出反应精馏系统的巨大潜力，使反应精馏系统出 现突破性的进展。 反应精馏系统之所以受到广泛的关注，是因为他比传统的反应过程与分离过 程的系统相比，反应精馏塔可以不受化学平衡的约束，并在一定程度上提高化学 反应的转化程度，一定程度上避免共沸物的形成，大幅度的优化反应精馏过程， 提高系统的热力学效率并同时降低系统的设备费用。反应精馏系统能够具备这些 优势的最主要原因是由于传质传热的过程同时发生在反应精馏过程中反应精馏 过程中，在反应精馏过程中物质的相互作用，能量的交换在不断的进行着，而反 应精馏塔的具体的设计方法以及很多参数决定了反应精馏系统内部的能量耦合 和物质耦合的程度。而通常情况下，这种耦合的程度相比传统的精馏塔要有显著 的增强。反应精馏的这些性质对化学工业来讲是一次伟大的变革，在化工工业生 产中起着至关重要的作用。要想最大程度的发掘反应精馏过程的作用，在反应精 馏过程的研究中不仅要做好系统本身的设计，更重要的是寻找到反应过程和分离 过程的最好的结合模式。因此在反应精馏过程的中和设计过程中，如何将反应操 作和分离操作有机合理的结合起来是最重要的问题。从近年来已经公开发表的研 究中偶尔会遇到这样的情况，就是反应精馏塔的确在一定程度上优于传统反应精 馏塔，但是优化的程度却不是很大，并非理想中的最优设计，因此强化设计方法 的提出很好的给这个问题提出了另一个思考方向，可以将反应精馏过程的巨大的 潜力更大程度的展现出来。由此可见，反应精馏强化方法的研究对于优化反应系 统，降低系统能耗都有着非常重大的意义。 2 第一章绪论 通过以上对反应精馏的研究得到，反应精馏过程的强化型设计方法可以更加 有效的减少操作能耗，同时可以提高物质在反应过程中的利用率。虽然近年来全 世界范围内都对反应精馏过程给予了很大的关注，但是仍然没有给反应精馏过程 提出一个系统化的研究策略，大多数研究只针对某一个方面进行研究分析，这是 当前反应精馏研究系统中的比较弱势的方面，以后的对反应精馏的研究方向上， 将着力与对系统强化设计方法的综合分析与设计。 本课题将通过研究强化内部物质耦合技术在乙酸戊酯反应精馏塔中的应用， 得出带有可忽略反应热的反应精馏塔过程强化设计的综合方法。通过一个明确的 设计策略，来研究强化内部物质耦合乙酸戊酯精馏塔与无耦合乙酸戊酯精馏塔的 静态特性，节能情况和动态特性的深入研究。通过具体的反应精馏塔来验证强化 内部物质耦合的对无热反应精馏塔的静态特性和动态特性的影响。 1 3 研究内容 本课题的主要内容是乙酸戊酯反应精馏塔经过强化内部物质耦合的综合设 计后，通过耦合塔与基本塔的对比，考察强化内部物质耦合对系统稳态特性及动 态可操作性和可控性的影响。应用强化内部物质耦合的设计方法，对乙酸戊酯反 应精馏塔这种无反应热反应精馏塔进行了综合研究。分析了强化内部物质耦合对 乙酸戊酯反应精馏塔的影响。最后根据已有的反应精馏知识和已经取得的研究成 果，总结了无反应热反应精馏塔的内部物质耦合的综合设计方法。墨 本文的总体结构是：第一章主要介绍了论文研究内容的相关背景、研究的意义和 最终目的。第二章对反应精馏过程进行了详尽的介绍。包括返京精馏塔的发展历 史与国内外发展现状，反应精馏塔的动态建模技术和静态建模技术的介绍，同时 也简单的介绍了反应精馏塔的综合设计，控制方面的发展情况。第三章阐述了强 化内部物质耦合的分类和具体实施强化内部物质耦合方案的综合设计方法。第四 章将强化内部物质耦合原理应用于乙酸戊酯反应精馏塔后，比较了强化内部物质 耦合和无强化内部物质耦合乙酸戊酯反应精馏塔的静态特性和再沸器负荷与冷 凝器负荷，进而比较了两个系统的t a c 。第五章在分析了乙酸戊酯耦合塔和基 本塔的系统动态响应的前提下，给出了乙酸戊酯反应精馏塔的整体控制方案。通 过一些阶跃扰动的闭环响应曲线图比较了有强化内部物质耦合和无强化内部物 质耦合乙酸戊酯反应精馏塔的可控性和可操作性。第六章总结了强化内部物质耦 合的综合设计方法对乙酸戊酯反应精馏塔的稳态特性和动态特性的影响。在第 6 2 节提出了对以后工作的展望。 3 北京化工大学硕士学位论文 稿每 4 第二章反应精馏系统的研究 第二章反应精馏系统的研究 反应精馏塔以它拥有的独特的优势在化工生产中以及整个社会的商业应用 中都有着不可替代的位置，在节能方面有着突出的贡献，因此引起了整个社会的 广泛关注【1 3 】。对于反应精馏塔的研究从2 0 世纪初开始，渐渐的关于反应精馏塔 的静态建模和动态建模的研究都有了很成熟的研究成果，然而，反应精馏塔的内 在潜能还远远没有被完全挖掘出来，常规的反应精馏塔己不能满足高精度的化工 过程的要求，因此近年来，其他组合型反应精馏塔逐渐出现在人们的视野中，例 如h u a i l g 等人今年提出的隔离壁式反应精馏塔，过程强化型反应精馏塔都是非 常创新的过程。本文接下来在给出反应精馏系统的概况与综述后，将要研究的就 是过程强化型反应精馏塔，主要着重在内部物质耦合反应精馏塔。 2 1 反应精馏塔的发展历史与现状 化工生产中，反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中进行。反应 精馏将两者结合起来，在一个设备中同时进行，使反应生成的产物或中间产物及 时分离，提高反应向生成物生产率，同时又可利用反应热供产品分离，达到节能 的目的。1 9 2 1 年，学者们正式的提出了反应精馏过程的这个理念。二十世纪三 十年代到六十年代，主要的研究工作都是针对特定的反应体系进行的。二十世纪 六十年代反应精馏才开始在一般的设备中应用，学者们才开始广泛的研究反应精 馏技术的一般规律，很多古老的化工生产中都应用了反应精馏技术【1 4 1 。二十世 纪七十年代后期，出现了非常大量的关于反应精馏技术方面的文章，专利申请的 数量也是大规模的增长，到了二十世纪八十年代，美国有名的化工公司把制备乙 酸甲酯的过程应用在反应精馏塔中，节省了大量的反应精馏设备，同时也使反应 精馏过程简单易行，这引起了世界各国的学者的关注，开始致力于反应精馏技术 的研究【1 5 - 1 7 1 。进入二十一世纪后，2 0 0 1 年7 月，第一届国际反应精馏学术研讨 会在德国的马格德保举行，当时吸引了来自各个国家的从事反应精馏的学者和工 业界的专家，在会议的过程中，总结分析了反应精馏过程的发展历史和现状，同 时也展望了反应精馏未来的发展前景。 反应蒸馏过程将反应与分离在同一设备中进行，从过程强化角度来看是一种 比较有前景的绿色化工过程，相对于常规蒸馏过程，它有以下独特的优势： 首先是反应精馏塔的过程强化性。反应精馏过程将反应和精馏作用在同一个 设备中进行，将传统的反应器和蒸馏塔集成在一起，不仅使得化工设备得到了强 化，更强化了反应与分离作用之间的协同关系，使得系统能耗和设备投资都有了 卑r s 北京化工大学硕士学位论文 不同程度的降低。e 础n 锄公司运行的乙酸甲酯反应蒸馏过程充分地说明了这一 点。 反应精馏最主要的优势就是可以合理的利用反应热。例如若塔中化学反应为 放热反应，而精馏过程是需要源源不断的吸收热量的。那么反应精馏塔分离操作 所需要的热量就可以利用反应过程所释放出的热量来进行，从而避免能量的浪 费。并且反应操作与分离操作在同一个塔内进行时，由于汽液相直接接触，传热 效果更好，反应热可以被有效的充分的利用，通过这样的原理，反应精馏塔可以 减少再沸器热负荷，并同时降低设备费用和操作费用。 反应精馏过程可以提高反应转化率，有效的使副反应得到抑制。由于在反应 精馏塔中，反应的产物不断的分离出去，这样就打破了本来的化学平衡，因此生 产能力可以得到显著的提高【1 8 】。反应精馏塔通过不断的移出反应产物，而且会 抑制副反应的发生，提高产物的选择性【1 9 】。 最后，反应精馏还可以避免共沸物的生成。对于一些混合物来说，在蒸馏过 程当中会形成共沸现象，这不仅会使得系统所得产物不能满足生活和生产的要 求，而且会使系统消耗更多的能耗。使比较难分离的物质完成分离过程。通常沸 点非常相近的两种物质，用普通的精馏塔是非常难达到分离效果的，因此需要更 多的设备投资来增加分离效果，例如增加塔板和设置相对较高的回流比。对于这 样的系统，通常的做法是可以采取消耗掉一种物质的办法来进行分离，是其中某 种分离物通过反应消耗掉，如果这个反应的生成物与原来分离系统中的另一种分 离物沸点相差较大，那么就符合反应精馏分离沸点的要求，这种情况下，用反应 精馏系统就可以达到事半功倍的效果【2 0 1 。 一般来说，反应精馏方向的学者们比较关注的有四类反应精馏过程。第一个 是假设的理想的反应精馏过程，学者们根据反应精馏过程的响应特性假设的一个 系统，通过对理想反应精馏塔的分析得出一般反应精馏过程的一些基本规律。第 二类是醚化反应，产物包括我们经常听说的甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚和甲基 叔戊基醚等典型的燃料添加剂产品【2 m 3 1 。甲基叔丁基醚的实验装置第一次被引 用，是齐鲁石化公司在1 9 8 8 年从美国引进的，随后便投入使用，而且相关的反 应精馏技术也给我过的反应精馏发展提供了很好的平台【2 4 1 。第三类则是酯化反 应和水解反应，研究的比较多的是从醋酸和从c 1 到c 5 的醇类的合成研究和乙 酸甲酯的水解【2 5 1 。第四类就是水和反应，例如包括环氧乙烷或者坏氧丙烷与水 发生化学发应生成乙二醇、丙二醇的化工过程【2 6 1 。反应精馏方面的学者正是对 这些方向进行潜心的钻研才使得从这些不系统的个例研究最终走向工业规模的 应用，进而为世人的生活和生产所服务。 近几年，反应精馏的研究过程中，一些学者将反应精馏塔与内部热耦合精馏 6 第二章反应精馏系统的研究 塔、外部热耦合精馏塔和隔离壁精馏塔联系起来，提出了内部热耦合反应精馏塔、 外部热耦合反应精馏塔和隔离壁反应精馏塔等更加复杂的过程强化装置【2 7 之8 1 ，包 括系统的综合设计与控制，初步取得了一些成果。 2 2 反应精馏塔的建模 由于在反应精馏塔中反应过程和分离过程之间存在着许多影响因素，即使进 料位置、塔板数、反应速率、进料热况、催化剂、产物浓度以及反应物进料组分 等参数的微小变化，都可能对反应精馏过程产生较大影响，所以对反应精馏过程 的研究存在许多困难。为了更好的研究反应精馏过程，发现有利于反应与分离操 作的一般规律，数学模型的建立是进行一切研究工作的基础。 精馏过程的数学模型从本质上可以分为两大类，即静态数学模型和动态数学 模型。静态模型着重研究精馏过程的定常特性，而且通常只是关注一个工作点的 性质，指系统在固定时刻下各参数的情况，可以根据稳态模型来研究系统的综合