乙酸甲醇酯化反应的反应隔离壁精馏塔设计

乙酸和甲醇酯化反应生成乙酸甲酯和水是一种典型的具有较不利相对挥发度排序的四元反应体系。以该酯化反应为例,本文研究了一种新型的反应隔离壁精馏塔设计策略,通过侧线引出未反应的乙酸和甲醇并环流至进料位置,使得未反应的反应物得以充分反应,继而同时提高塔器中反应操作与分离操作的效率。

乙酸甲酯外部环流隔离壁反应蒸馏塔的设计与比较

选择了3种不同的外部环流设计并采用隔离壁蒸馏塔的拓扑结构。以乙酸和甲醇酯化反应生成乙酸甲酯和水反应体系为例,分别设计了底部-中部环流隔离壁反应蒸馏塔、中部-中部环流隔离壁反应蒸馏塔和双环流隔离壁反应蒸馏塔,并对其稳态性能进行了分析与比较。结果显示,双环流隔离壁反应蒸馏塔能够最大限度地强化内部物质和能量耦合,因而拥有最佳的稳态性能。

外部环流反应隔离壁精馏塔的综合与设计

提出了一种外部环流反应隔离壁精馏塔,隔板的设置使得未转化的反应物能够被限制在隔板的进料一侧和塔的两端,尽可能地减少通过侧线采出位置的未转化反应物。基于乳酸和甲醇的酯化反应,以年总投资(TAC)为目标函数,分别设计了最优的外部环流反应精馏塔和外部环流反应隔离壁精馏塔。对比结果显示,后者相对前者TAC减小了27.92%。

过量进料反应隔离壁蒸馏塔的设计与比较

采用反应物过量技术克服反应蒸馏塔在分离具有较不利动力学特性的反应混合物时的缺陷,提出针对此类反应精馏的最优蒸馏塔结构设计策略。针对具有较不利相对挥发度排序的四元理想可逆放热反应,分别设计常规反应蒸馏塔(RDC)与采用反应物进料过量技术的反应隔离壁蒸馏塔(ER-DWDC),并对其稳态性能进行评价。结果显示,反应物中轻组分进料过量的反应隔离壁蒸馏塔能够最大程度强化蒸馏塔内部物质和能量耦合,具有优越的稳态性能,能够显著降低工业分离过程中的设备投资成本和操作能耗。

外部环流强化乙酸丁酯反应隔离壁蒸馏塔

针对具有较不利相对挥发度排序的四元可逆反应体系,使用常规反应蒸馏塔分离会使未反应的最重和次轻反应物堆集在塔底和反应段的顶部,降低反应的转化率。为解决这一问题,提出了2种不同的外部环流反应隔离壁蒸馏塔结构:中部环流反应隔离壁蒸馏塔和底部-中部环流双反应段隔离壁蒸馏塔。通过设置外部环流,将塔内未反应的反应物引回至反应段进行反应,同时环流实现的前提是在塔内设置隔离壁。以乙酸丁酯和乙醇的转酯反应的分离为例,对2种外部环流反应隔离壁蒸馏塔结构的有效性和可行性进行评估。研究结果表明:外部环流反应隔离壁蒸馏塔与传统反应蒸馏塔相比,稳态性能显著提高,具有更好的分离效果和经济性能。

乳酸甲酯双隔板反应隔壁塔的设计与控制

常规蒸馏塔分离具有最不利相对挥发度排序的四元可逆反应物系,反应物会在塔顶和塔底聚集,对反应塔侧线采出浓度要求较高。为解决这一问题,将反应塔和分离塔耦合到一个塔中,形成新的双隔板反应隔壁塔结构。基于乳酸和甲醇的酯化反应,采用反应物过量技术,在Aspen Plus中分别设计并优化2种反应物过量下的双隔板反应隔壁塔结构。与常规反应分离结构对比表明:甲醇过量的外部环流双隔板反应隔壁塔的年总投资节省约28.4%。针对甲醇过量的结构,采用4点温度控制策略,在进料流量和组成发生扰动的情况下,产物浓度能在较快时间内恢复到误差允许范围内的稳定值。因此双隔板结构的隔壁塔能有效降低能耗和投资并且具有较好的可控性。