控制理论与控制工程研究生毕业论文

1、北 京 化 工 大 学硕士研究生学位论文题 目 强化内部物质耦合 无热效应反应精馏塔的综合与设计 研 究 生 专 业 控制理论与控制工程 指导教师 日 期: 二 九 年 三 月 二十四 日北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明： 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： 日期： 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：

2、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 2 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： 日期： 导师签名： 日期： 强化内部物质耦合无热效应反应精馏塔的综合与设计摘 要现代化工生产领域对系统优化、绿色化工越来越迫切的要求促进了反应精馏塔技术的快速发展。相比于传统精馏技术，反应精馏具备显著的节能和降低投资的优点。因

3、此，如何最大程度地发掘反应精馏系统的潜在节能优势，成为了国内外的研究热点，也是本文的研究依据。依据塔内反应热量与汽化潜热比值的大小，反应精馏塔可以被划分为有大量热效应、有部分热效应、无热效应三大类。现有的提高反应精馏系统热力学效率的方法，大多是针对于有大量热效应反应精馏过程进行研究的。而对于无热效应反应精馏塔，至今仍没有完整的提高系统热力学效率的系统综合与设计方法被提出。因此，本文以无热效应反应精馏塔为研究对象，首次提出了以“强化内部物质耦合”的方法进行过程设计，可以有效地提升反应精馏系统的热力学效率。研究表明，反应段与精馏段耦合、反应段与提馏段耦合、改变反应物进料位置、改变催化剂在反应段内的

4、分布状态这四种方法可以有效地强化反应精馏系统内部物质耦合。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。四种不同的反应精馏体系在使用“强化内部物质耦合”方法进行过程综合设计后，系统能耗均出现了明显的降低，系统的热力学效率显著提高，同时设备投资和运行费用也会相应地减少。实践证明，“强化系统内部物质耦合”的系统综合与设计方法具有普遍通用性，对于不同的反应精馏体系、不同的物理特性和操作条件，都能显著地发挥节能效果，且该方法简便易行。因此“强化内部物质耦合”的设计方法对反应精馏过程的综合与设计具有重要的意义和作用。关键词：反应精馏塔，热力学效率，内部物质耦合，系统综合，系统设计 d

5、eepening internal mass integration synthesis and design of reactive distillation columns with negligible or no thermal effectabstractreactive distillation technology has seen great development owing to the progress of green chemistry and process optimization. contrast sharply to the conventional dis

6、tillation process, the reactive distillation process can offer more benefits in utility consumption and capital investment. the main object of this paper is to activate the potential advantage of the reactive distillation columns in the chemical process industry.in terms of the ratio between the the

7、rmal heat released by the reactions involved and the latent heat of the reacting mixture separated, reactive distillation columns can be divided into three broad categories, i.e., those with highly thermal effect, those with considerably thermal effect and those with negligible or no thermal effect.

8、 though a number of methods have already been proposed for the synthesis and design of reactive distillation columns so far, much of them are actually about the process with highly thermal effect, and almost no essential progress has been made regarding the synthesis and design of reactive distillat

9、ion columns with negligible or no thermal effect.a systematic method for deepening internal mass integration is proposed for the synthesis and design of reactive distillation columns involving reactions with negligible or no thermal effect, aiming to improve the thermodynamic efficiency. four strate

10、gies, including the superimposition of reactive section onto rectifying and stripping sections, relocation of feed stages, and redistribution of catalyst within the reactive section, can be derived to intensify internal mass integration. with a systematic application of these strategies, a sequentia

11、l procedure is devised for the synthesis and design of reactive distillation columns involving reactions with negligible or no thermal effect.four hypothetical ideal reactive distillation systems are used as examples to evaluate the philosophy proposed, and a substantial reduction of utility consump

12、tion is secured in addition to a further abatement in capital investment. the proposed method for deepening internal mass integration could be effective in different reactive distillation models with different physical properties and operating conditions. it is also proved quite simple in principle

13、and procedure. these striking results evidence the significance and strong necessity of deepening internal mass integration in the synthesis and design of reactive distillation columns.keywords: reactive distillation column, thermodynamic efficiency, internal mass integration, process synthesis, pro

14、cess design目 录符 号 说 明1第一章 绪论31.1反应精馏过程的发展方向31.2反应精馏的特点与研究必要性31.3论文结构4第二章 反应精馏过程简析52.1反应精馏技术的发展与实际工业应用52.2反应精馏过程建模技术的研究52.2.1反应精馏系统稳态模型52.2.2反应精馏系统动态模型62.2.2.1 动态模型简介及研究情况62.2.2.2 多稳态现象72.3以反应热为依据的反应精馏塔分类方法82.4提升反应精馏系统性能的强化设计方法9第三章 强化内部物质耦合113.1强化系统内部物质耦合概念的提出113.2实现强化系统内部物质耦合的四种方法113.3实现强化内部物质耦合的系统化

15、综合搜索策略133.4强化内部物质耦合小结14第四章 理想四元反应精馏体系a+bc+d154.1 a+bc+d反应精馏体系过程描述154.2稳态模型描述154.3增强反应精馏系统内部物质耦合的效果184.4其他物理特性和操作条件对系统内部物质耦合的影响244.4.1 fb进料热状况对系统稳态特性的影响244.4.2催化剂总量对系统稳态特性的影响254.5 小结27第五章 双进料的理想三元反应精馏体系a+bc285.1 a+bc反应精馏体系过程描述285.2稳态模型描述285.3增强反应精馏系统内部物质耦合的效果315.4其他物理特性和操作条件对系统内部物质耦合的影响345.4.1 fa进料热状

16、况对系统稳态特性的影响345.4.2催化剂总量对系统稳态特性的影响365.5 小结37第六章 理想三元反应精馏体系a(hk)b(lk)+c(ik)386.1 ab+c反应精馏体系过程描述386.2稳态模型描述386.3增强反应精馏系统内部物质耦合的效果406.4其他物理特性和操作条件对系统内部物质耦合的影响466.4.1 fa进料热状况对系统稳态特性的影响466.4.2催化剂总量对系统稳态特性的影响476.5 小结47第七章 理想三元反应精馏体系a(ik)b(lk)+c(hk)487.1 a(ik) b(lk)+c(hk)过程描述487.2稳态模型描述487.3增强反应精馏系统内部物质耦合的效

17、果507.4其他物理特性和操作条件对系统内部物质耦合的影响557.4.1 fa进料热状况对系统稳态特性的影响567.4.2催化剂总量对系统稳态特性的影响567.5 小结57第8章 强化系统内部物质耦合的讨论588.1其他强化系统内部物质耦合的方法588.2强化系统内部物质耦合方法的适用范围58第9章 结论与展望619.1结论619.2 展望61参 考 文 献63致谢69研究成果及发表的学术论文70作者与导师简介71contentsnotation1chapter 1 introduction31.1 the development of reactive distillation proces

18、s31.2 advantages and research necessity of reactive distillation process31.3 structure of this paper4chapter 2 research of reactive distillaiton column52.1 history and plant process of reactive distillation52.2 concerning reactive distillation models52.2.1 steady state model52.2.2 dynamic model62.2.

19、2.1 research of dynamic model62.2.2.2 multiple steady state72.3 the category method according to the thermal effect82.4 intensifying methods improving system performance9chapter 3 deepening internal mass integration113.1 the method of deepening internal mass integration113.2 four strategies113.3 a s

20、equential procedure133.4 conclusion14chapter 4 a hypothetical quaternary reactive distillation system (a+bc+d)154.1 process description154.2 steady state model description154.3 effect of deepening internal mass integration184.4 influences of physical propoties and operation condition244.4.1 influenc

21、es of thermal conditions of fb244.4.2 influences of the amount of catalyst employed254.5 conclusion27chapter 5 a hypothetical ternary reactive distillation system(a+bc)285.1 process description285.2 steady state model description285.3 effect of deepening internal mass integration315.4 influences of

22、physical propoties and operation condition345.4.1 influences of thermal conditions of fa345.4.2 influences of the amount of catalyst employed365.5 conclusion37chapter 6 a hypothetical ternary reactive distillaiton system with a heavy reactant a (hk)b(lk)+c(ik)386.1 process description386.2 steady st

23、ate model description386.3 effect of deepening internal mass integration406.4 influences of physical propoties and operation condition466.4.1 influences of thermal conditions of fa466.4.2 influences of the amount of catalyst employed476.5 conclusion47chapter 7 a hypothetical ternary reactive distill

24、ation system with a intermediate reactant a(ik)b(lk)+c(hk)487.1 process description487.2 steady state model description487.3 effect of deepening internal mass integration507.4 influences of physical propoties and operation condition557.4.1 influences of thermal conditions of fa567.4.2 influences of

25、the amount of catalyst employed567.5 conclusion57chapter 8 discussion of deepening internal mass integration588.1 other methods of deepening internal mass integration588.2 application ranges of deepening internal mass integration58chapter 9 conclusion and prospect619.1 conclusion619.2 prospect61lite

26、rature cited63acknowledgements69papers published70introduction of author and tutor71符 号 说 明 a组分 avp气相压力常数，pab组分bvp气相压力常数，pa kc 组分 d 组分 e 反应活化能，kj/kmolf 反应物进料流速，kmol/sh 塔板滞液量 kmolhr 反应热，kj/kmolhv 汽化潜热，kj/kmolk某温度点反应速率，kmol/(s kmol)l 液相流速，kmol/sn塔板数p 塔内气压，par 理想气体常数，kj/(kmol k)r净反应速率，kmol/st 温度，kv 汽相流

27、速，kmol/sx 液相组成y 汽相组成z进料组成希腊字母 预指数因子kronecker函数 误差 反应化学当量系数下标a组分b 逆向反应b 组分bot塔釜产品c 组分d 精馏d 组分f 正向反应i 组分j 塔板m 进料板r 精馏段rea 反应段s 提馏段上标s 饱和度sp 产品质量第一章 绪论1.1反应精馏过程的发展方向化工过程是工业生产的重要环节，其工艺设计与操作性能始终受到相关工作者的广泛关注。近年来，随着环境问题的不断加剧，能源的日益紧缩，如何对化工过程进行系统强化，实现绿色化工、节能环保，无论在工业实际还是理论研究中都已成为了热点问题。而精馏操作过程做为化工过程中应用最为广泛的传质单

28、元，也是石化领域中能耗最大的操作单元之一，如何有效提高其热力学效率，提升系统的稳态动态特性，更是引起了极为广泛与深入的关注 1。反应精馏过程是近年来精馏技术领域的研究热点，它的出现也是过程强化的最好体现。反应精馏是将反应过程和精馏过程合二为一的技术，使得原先分别在反应器和精馏塔中进行的反应和分离过程同时置于同一个塔设备中实现。与常规精馏相比，反应精馏技术的潜在优势是十分明显的。但当前对反应精馏塔的各项研究已经证明，若要更大幅度地挖掘反应精馏系统的潜在优势，不能仅依靠常规的方法进行系统设计，而是必须开发出超越的、强化过程的设计方法。1.2反应精馏的特点与研究必要性相对于常规精馏，反应精馏拥有显著

29、的优势，主要表现在以下几个方面： (1) 反应器和精馏塔合成为一个设备，有效地降低了设备投资，也容易实现原有设备工艺的改造； (2) 反应的选择性高，尤其是在连串反应中，生成的中间产物很快被抽离反应段，避免了进一步的反应，提高了反应的选择性； (3) 以分离促反应，由于反应产物被不断抽离，化学平衡被破坏，反应转化率提高，因此生产能力显著提高。 (4) 以反应促分离，通过塔内化学反应避免恒沸物的形成，促进了物系分离效果。 (5) 降低能耗，反应放出或吸收的热量可以直接被分离操作段利用，提高了系统的热力学效率。2-3反应精馏过程之所以能够具备这些优势，究其根源，是因为反应精馏过程是一个传质传热的体

30、系，一个物质和热量不断交换的复杂网络，而反应精馏的过程拓扑结构决定了其系统内部的物质之间的耦合与热量之间的耦合程度相比传统精馏过程会有明显的增强 4。因此，反应精馏过程的研究对于降低系统能耗、提高系统性能都具有十分重要的意义。反应精馏技术已经历了八十余年的发展，如今的反应精馏技术在应用基础研究、工程研究、工艺开发与应用等方面都已经取得了一定的进展。但是由于反应精馏过程的影响参数很多，对它的研究比单独的反应或精馏更困难，所以到目前为止，并没有一套完整的组织反应精馏过程的通用方法，使得反应精馏的优点最大限度地发挥。在诸多对反应精馏系统稳态特性的研究中，虽然已经取得了一定的进步，但目前的研究方法尚不

31、能充分地发掘反应精馏系统的潜力，使系统的热力学效率进一步提高。1.3论文结构本课题以提高系统热力学效率为基本出发点，对无热效应反应精馏塔进行系统综合与设计，力求寻找出一个通用可行、稳定可靠的系统综合设计方法，以达到提高反应精馏系统热力学效率的目的，降低能耗、减少投资。论文的第二章综合介绍了反应精馏塔的研究现状与方法，主要就反应精馏的发展历程与实际生产中的应用、建立过程的稳态动态模型、提升反应精馏系统热力学效率的多种方法和增强内部热耦合的综合与设计方法等方面做了全面的阐述。第三章提出了利用“强化内部物质耦合”的原理和方法对无热效应反应精馏塔进行系统综合与设计，从一个全新的角度对无热效应反应精馏塔

32、的潜力进行更深层的挖掘。四种独立的方法可以有效强化系统内部物质耦合，提高热力学效率。合理地综合运用这四种方法，可以得到一个系统化的搜索策略，进一步降低系统能耗。第四至七章分别针对四类不同的反应精馏模型来进行“强化内部物质耦合”的系统综合与设计。虽然这四类反应精馏模型均为理想模型，但他们所代表的精馏体系在工业中都有实际的应用，因此具有重要的研究价值和现实意义。结果表明，对反应精馏系统进行强化内部物质耦合的设计后，热负荷显著降低，热力学效率得到提升。论文的最后对“强化内部物质耦合”设计方法的意义进行了讨论，阐述了该方法的显著优点，并证明它不仅可以在无热效应反应精馏塔的设计中发挥重要作用，还可以在有

33、部分热效应反应精馏塔的系统综合与设计中加以应用，大幅度地拓展了“强化反应精馏系统内部物质耦合”挖掘反应精馏系统潜力的能力。第二章 反应精馏过程简析2.1反应精馏技术的发展与实际工业应用反应精馏的概念在1921年被正式提出。二十世纪30年代到60年代，主要的研究工作都是针对某一特定的反应精馏体系的工艺开发进行的，直至70年代反应精馏系统的一般规律才开始被研究。80年代后，伴随着计算机技术的发展，开始出现对反应精馏系统建模的大量研究，直至90年代末反应精馏系统的建模研究已经较为成熟。进入二十一世纪，研究方向逐渐转向了对反应精馏系统优化的研究，包括提升稳态特性和动态操作特性两大方面，以及从对各类反应

34、精馏系统通用的一般性规律的研究。如今，在石化工厂的实际生产中，反应精馏系统已经成功运用在以下领域：(1) 醚化反应。主要包括甲基叔丁基醚(mtbe)的生产应用 5，它也是第一个取得工业化成功的反应精馏产品；甲基叔戊基醚(tame)的生产 6；乙基叔丁基醚(etbe) 7的生产等等。(2) 酯化与水解反应，主要是乙酸甲酯(meoac)的合成与水解催化精馏工艺。由于meoac是生产多种聚酯产品的重要中间体，也是煤加工加工产业中的重要中间产物，因此对meoac反应精馏过程的开发研究成为了近年来国内外的热点8。(3) 烷基化催化精馏。主要包括了对乙苯和异丙苯的催化精馏。二者是重要的苯的衍生物，全球有接

35、近75%的石油苯被用来生产这两种产品 9。2.2反应精馏过程建模技术的研究建立合理的数学模型，是对反应精馏塔进行准确预测、结果分析、工艺改进的前提条件。反应精馏过程的建模可分为稳态模型和动态模型。稳态模型是反应精馏过程设计和优化计算的基础，而动态模型是分析控制方案、进行优化控制的基础。伴随着计算机科技水平的不断进步，反应精馏过程的建模技术也快速地发展并不断完善。2.2.1反应精馏系统稳态模型经过近二十多年的发展，对反应精馏过程稳态模型的研究已经较为透彻。一些主流商业流程模拟器已经集成了反应精馏稳态计算模块，如aspenplus、hysis、designii和desinger等 10-12。对于

36、反应精馏稳态建模技术，迄今已经有多种严格机理模型，主要分为平衡级模型和非平衡级模型两大类，不同的模型基于不同程度的假设，并且有不同的应用范围。在反应精馏过程模拟计算的过程中，平衡级模型是其中最重要的基础理论模型。基本假设为：(1) 反应塔板为全混反应器；(2) 离开塔板的汽液两相处于相平衡和热力学平衡；(3) 反应仅发生于液相；(4) 过程为稳态。建立的模型方程类似传统精馏的mesh方程组，即包括物料平衡方程、气液相平衡方程、归一化方程、焓平衡方程和反应动力学方程。所不同是，在反应段塔板上必须考虑反应动力学方程或者化学平衡关系。反应精馏系统平衡级模型常用的解法主要有：同时校正法(newton-

37、raphson)、方程解离法、松弛法和同伦延拓法。但事实上，在实际过程中，塔板效率随塔板数、组分种类和时间而变化 13，所以平衡级模型本质上是有缺陷的，平衡级模型对过程的描述与实际情况还是有一定的差距，因此只适用于反应精馏系统的工艺设备设计，但并不适用于动态性能和控制系统的研究。由此，反应精馏过程的非平衡级模型被提出。在推导数学模型时，仍保留平衡级模型的(1)、(3)、(4)三点基本假定，但取消了(2)的相平衡假设和热力学平衡的假设。baur 14提出通用反应精馏非平衡级模型，称为merq方程，它比平衡级模型多出了塔板上相间的物质和热量传递方程。baur 15、lee 16和peng 17分别

38、对反应精馏过程平衡级和非平衡级模型的做了详细分析比较，验证了非平衡级模型的优越性，其中baur发现由于平衡级模型忽略了相间传质的阻力，在反应精馏过程的特性分析中得出了和实际不符的结果，而且设计参数会显著影响反应精馏过程产品转化率，非平衡级模型由于在计算过程考虑了此类因素，有助于精确描述过程特性。目前非平衡级模型已经逐步应用于反应精馏过程分析，如多稳态分析、动态特性分析、过程设计 14, 18等。目前该类非平衡级的严格模型仍过于复杂，尚不适于在线应用，模型简化技术尚需做进一步研究。2.2.2反应精馏系统动态模型2.2.2.1 动态模型简介及研究情况与稳态模型相比，动态模型最大的区别就是取消了塔板

39、上滞液量和能量保持恒定的假设，通过建立这些过程量对时间的微分方程来描述物料和能量的动态变化。与静态模型类似的是，对于现有文献介绍的各种动态控制模型设计方法，也可以分为平衡级模型与非平衡级模型两大类 19-25。总的来说，要有效地实现反应精馏的操作目标，必须满足对产物的质量要求和对反应物的化学计算平衡这两大要求。比较而言，对产品质量的控制较容易实现，可以采取温度控制或直接采取出料浓度控制。但是对化学计算平衡的控制较难实现。比例控制系统看似有效，但是其流量测量精确度却很差，因此不能得以广泛应用 26。sneesby 27等人在进行etbe反应精馏塔研究时提出了一个两点控制策略，可以有效地保证产品浓

40、度和反应转化率。luyben等人 28-31对一理想精馏模型进行研究时提出了六种控制方案，并认为在反应段中安置浓度分析器可以有效实现对化学反应平衡的控制，并在对mtbe和tame反应精馏塔的研究中提出使用内部组分控制循环策略可以有效提高系统动态特性。huang 32在对乙酸丁酯、丙酸丁酯两种反应精馏塔的研究中都应用了温度-流量串级控制策略，并取得了很好的效果。 但是，尽管现有的文献与研究中已经阐述了不少有效的改善系统动态特性的设计方法，但将系统稳态特性与动态特性综合起来进行系统设计的方法并不是很多。heath 33等人在对乙二醇反应精馏塔进行研究时，将一个经济目标评价函数与系统结构设计选择方法

41、联系在了一起。georgiadis 34等人在研究中着重强调了反应精馏系统稳态特性与动态特性的相互影响，认为在系统设计的初期就必须同时考虑稳态性能和动态性能。2.2.2.2 多稳态现象相对于常规精馏塔，反应精馏塔的系统结构更加复杂，因此其操作特性和可控性也更加复杂，其中多稳态现象尤其受到了广泛的关注。多稳态现象，即输出的多样性，在相同的操作条件下，可以得到不同的产品组成。jacobs等人 35在对mtbe反应精馏塔进行设计时发现，在同样的操作条件下，会得到两种截然不同的产品组成，分别对应了高转化率和低转化率。ciric等人 36研究了制备乙二醇(eo+h2oeg)反应精馏模型的多稳态现象，发现

42、在塔板滞液量大的情况下，系统出现三稳态现象；滞液量小的情况下，系统呈现出一种非常复杂的共有九个稳态点的现象。mohl等人 37对mtbe和tame反应精馏塔的多稳态现象都做了详细研究并进行了严格的工厂模拟试验。hauan 38等人详细阐述了mtbe反应精馏塔发生多稳态的原因：反应物中含有正丁烯(n-butene)时，反应物乙醇的活度系数会显著增高，因此原有的反应平衡被打破，mtbe不会在反应段中发生逆向反应，系统出现了非预期的稳态。但在研究过程中必须还要认识到，虽然多稳态做为一种现象是实际存在的，但同时由于计算模型本身的缺陷，往往会导致虚假的或不稳定的多稳态的出现。2.3以反应热为依据的反应精

43、馏塔分类方法根据塔内反应热和汽化潜热影响强弱的不同，反应精馏塔可以分为如下三大类，如图2-1 所示。(1) 有大量热效应的反应精馏塔，（hr/hv 1.0）；(2) 有部分热效应的反应精馏塔，（0.05hr/hv1.0）；(3) 无热效应反应精馏塔，（hr/hv 0.05）。 该分类方法仅适用于评价反应精馏塔内部热效应时，进行反应精馏模型的简化，并非适用于任何情况。 事实上，这三种类型的反应精馏塔，分别可以利用不同的系统强化设计方法进行综合与设计。 对于有大量热效应的反应精馏塔，可以通过增强内部热耦合的方法进行系统综合与设计，使得反应热直接被分离操作段利用，热力学效率得到提升。事实上，国内外已

44、有不少文献对有大量热效应的反应精馏塔的系统设计做了研究，将在下一节中着重讨论。 对于无热效应反应精馏塔，通过强化内部物质耦合的方法进行系统综合与设计，改变反应和分离操作段在塔内的相对分布状况，可以提升系统热力学效率。这也是本课题的重点研究内容。 而对于有部分热效应的反应精馏塔，在进行系统设计应当综合考虑增强内部热耦合和强化内部物质耦合两种设计方法，以达到提升稳态特性的目的。图2-1 反应精馏塔以反应热为依据的三种分类方法fig. 2-1 three broad categories of reactive distillation column2.4提升反应精馏系统性能的强化设计方法在对反应精

45、馏塔的研究过程中，人们意识到反应热可以直接被精馏段/提馏段加以利用，并可以有效提高系统热力学效率。 eldarsi et al 39在研究中发现，在合成mtbe反应精馏塔中，如果在反应段底部安装一个中间散热器，可以反应转化率增加，同时系统性能也得以提高。okasinski et al 40以物料及能量平衡方程为基点，提出了基于反应精馏塔动态控制的设计方法。他们认为，适当地选取反应段的位置，确实可以对系统性能的提升产生积极的影响。subawalla et al 41认为，可以根据反应物的相对挥发性来决定反应段位置和进料点位置。melles et al 42提出根据反应段催化剂的浓度来进行塔的设计

46、，合理的设计方案可以有效降低回流量和再沸蒸汽量。lee et al 43-44提出了采用图表法进行反应精馏塔的设计，发现在精馏段与提馏段之间正确地安放反应段，可以使反应热量直接被分离操作段利用，有效降低系统能耗。尽管已有不少改善反应精馏系统性能的方法被提出，可是对无热效应反应精馏塔的稳态特性的研究并没有太多实质性的进步 45-49。尽管如此，minlp方法的应用已经证明了强化系统内部物质耦合对提升无热效应反应精馏过程稳态特性可以发挥重要的作用。反应精馏过程是一个反应与精馏的复合过程，反应速率、催化剂性能、进料位置、塔板数量都对其造成影响，其过程也表现出高度的非线性。并且塔板数、进料位置等参数为

47、整数，因此反应精馏过程的系统优化设计是一个非线性混合整数问题 50。因此近些年来，利用混合整数非线性规划方法(mixed-integer nonlinear programming, minlp)成为反应精馏系统设计的热点方法之一。pistikopoulos等人运用minlp方法，通过对多个反应精馏系统数学模型的分析，得出了系统化的过程设计与控制方案，并证明了优化后的反应精馏系统既有效节能，系统鲁棒性也得以增强 51-54。事实上，虽然上述这些方法都可以有效降低系统能耗，但并没有提出一个完整的、系统的提高反应精馏过程热力学效率的方法。huang et al 55-56在2004年提出了增强反应

48、精馏系统内部热耦合的原理，第一次系统地阐述论述了直接利用反应热提升反应精馏过程热力学效率的系统化的方法。三种独立的方法可以有效地增强反应精馏系统内部热耦合，即：反应段与提馏段耦合(放热反应)/反应段与精馏段耦合(吸热反应)，改变反应物进料位置，改变催化剂分布状态。综合运用这几种方法可以得到一个系统化的搜索策略，进一步提升系统热力学效率，流程图如2-2所示。使用增强内部热耦合方法进行反应精馏塔综合与设计后，系统的操作特性和动态特性也得到了显著的改善，非线性得到了有效抑制，系统稳定时间显著减少 57。增强反应精馏系统内部热耦合的方法被应用于mtbe分解反应精馏塔和mtbe合成反应精馏塔中，同样得到

49、了显著的节能效果和更好的系统操作特性与动态特性 58-59。2008年，zhu 60在对乙二醇反应精馏塔的系统动态特性研究中发现，使用增强内部热耦合的方法进行系统设计后，动态过程的非最小相位系统得到了有效的抑制。因此，增强反应精馏系统内部热耦合具有十分重要的理论研究意义。图2-2 增强反应精馏系统内部热耦合的综合搜索方法流程图fig. 2-2 sequential procedure to determine an appropriate process configuration for internal heat integration within a reactive distilla

50、tion column第三章 强化内部物质耦合3.1强化系统内部物质耦合概念的提出从上文的叙述中已知，对于有大量热效应的反应精馏塔，直接利用反应热进行系统强化设计是行之有效的方法。但是对于无热效应的反应精馏过程，目前国内外仍没有一个系统化的设计方法可以有效改善稳态特性，提高热力学效率。事实上，从反应精馏系统拓扑结构的角度分析，对于同一个反应精馏系统，若系统内部反应段、精馏段和提馏段三个操作段的绝对位置或相对位置有所改变，系统的稳态特性就会相应地发生改变。基于这一原理，本研究提出了“强化内部物质耦合”的概念，力求通过一个系统化的搜索设计方法，强化反应精馏系统中反应段与分离操作段的物质耦合程度，即

51、改变反应段、精馏段、提馏段在反应精馏系统中的绝对位置或相对位置，以提高系统的稳态特性。提高系统稳态特性主要表现在提升反应精馏系统的热力学效率，降低系统热负荷、减少能耗。3.2实现强化系统内部物质耦合的四种方法研究结果发现，四种有效的方法可以强化反应精馏系统内部物质耦合(假设反应精馏塔中，反应段置于精馏段与提馏段之间)，分别为：(1) 反应段向精馏段延伸。反应段与精馏段的公共部分可以强化系统内部物质耦合。图3-1(a)显示了反应段与精馏段耦合后的系统结构。图中灰色区域表示反应段向精馏段延伸后的公共耦合部分。耦合之后，反应在精馏段部分得到强化。(2) 反应段向提馏段延伸。类似于(1)，反应段与提馏

52、段的公共部分可以增强系统内部物质耦合。3-1(b)显示了反应段与提馏段耦合后的系统结构。图中灰色区域表示反应段向提馏段延伸后的公共耦合部分。耦合之后，反应在提馏段部分得到强化。(3) 改变反应物进料在反应段中的位置。由精馏知识可知，反应精馏系统进料点以上至塔顶的区域为精馏段、进料点以下至塔釜的区域为提馏段。因此一旦进料位置发生改变，提馏段/精馏段在塔内的位置就会相应地发生改变，反应段与分离操作段的物质耦合程度也会相应改变。如图3-1(c)和3-1(d)分别显示了反应段顶部进料位置下降和底部进料位置上升后的系统结构。图3-1(c)中，相当于反应在精馏段得到强化。图3-1(d)中，相当于反应在提馏

53、段得到强化。 (a) (b) (c) (d) (e)图3-1 强化系统内部物质耦合的四种方法(a)反应段与精馏段耦合 (b)反应段与提馏段耦合 (c)顶部进料位置下降 (d)底部进料位置上升 (e)改变催化剂分布fig. 3-1 four strategies of deepening internal mass integration within a reactive distillation column: (a) superimposition of reactive section onto rectifying section, (b) superimposition of rea

54、ctive section onto stripping section, (c) relocation of upper feed stage, (d) relocation of lower feed stage, and (e) redistribution of catalyst.(4) 在催化剂总量不变的情况下，改变催化剂在反应段的分布状态。保持催化剂总量不变的目的，一是可以保证强化系统内部物质耦合前后，设计结果具有可比较性；二是保证在实际的生产过程中不会增加额外的投资。反应塔板上催化剂量的多少直接影响了反应的程度，因此也是表征反应精馏系统综合与设计自由度的重要参数之一。一般情况下，

55、使催化剂更集中地分布在反应段与分离操作段的公共部分(即耦合部分)可以增强系统内部的物质耦合，如图3-1(e)所示，深色区域为公共耦合部分，灰色区域为单独的反应段。理论上，改变催化剂分布既可以影响动力学控制的反应，又可以影响化学平衡控制的反应。但在化学平衡控制的反应情况下，如果反应速率很快，那么每块反应塔板都可以瞬间达到化学平衡，催化剂对正逆向反应的影响效率相等，因此这种情况下改变催化剂的分布就不能起到改变反应精馏塔内反应分布状况的作用。3.3实现强化内部物质耦合的系统化综合搜索策略多数情况下，相对于每个单一方法，合理地综合使用这四种方法可以获得更好的系统稳态特性和更高的系统弹性。因此在强化反应精馏塔内部物质耦合时，寻找出一个系统化的设计搜索策略显得极为必要。图3-2所示为强化反应精馏系统内部物质耦合搜索方法的流程图。在催化剂总量不变的情况下，依照前文所述(1)、(2)、(3)三种强化物质耦合方法进行过程设计，催化剂在各块反应板上平均分布。定义对系统稳