外部环流反应精馏塔的分散控制方案设计

对于具有最不利相对挥发度排序(即反应物为最轻和最重组分,生成物为中间组分)的四元反应分离物系而言,在反应精馏塔的顶部和底部之间引入外部环流能够提高系统的反应分离效率,从而大幅度地降低系统的能量消耗和固定投资成本。以理想四元可逆放热反应的分离为例,研究了外部环流反应精馏塔的分散控制方案的设计问题。结果表明外部环流的引入提高了系统的反应速率,使得外部环流反应精馏塔的闭环控制效果更好(与传统反应精馏塔相比),对干扰的处理能力更强。另外,由于外部环流反应精馏塔比常规反应精馏塔有更多的操作变量(即外部环流流量),利用该变量对出料浓度进行控制,可以进一步提高系统的闭环控制效果。

一种新型的双环流反应蒸馏塔

传统的反应蒸馏塔难以用于分离反应物为最轻和最重组分的反应物系。为了解决这个难题,本文提出了一种新型的反应蒸馏塔结构——双环流反应蒸馏塔。一股环流安排在塔顶和塔底之间,以提高反应的转化率,另一股环流安排在塔底和分离段的某块塔板之间,以提高反应蒸馏塔的分离效率。根据双环流反应蒸馏塔的结构特点,本文还提出了一种有效的综合与设计方法。以一个理想吸热反应和理想放热反应的分离为例,对双环流反应蒸馏塔进行了设计与分析,结果显示该系统比现有的结构设计需要更少的设备投资成本和能量消耗。

单环流反应隔离壁蒸馏塔的设计与控制

提出了一种单环流反应隔离壁蒸馏塔,基于合成乙酸甲酯的酯化反应,以全年总投资(TAC)为目标函数,设计了最优的单环流反应隔离壁蒸馏塔结构,采用两点温度控制策略研究了单环流反应隔离壁蒸馏塔的动态性能。结果表明:相比于外部环流反应蒸馏塔,单环流反应隔离壁蒸馏塔的设备投资费用降低了0.63%,操作费用降低了11.62%,TAC减少了7.86%。对于进料流量以及进料组分的扰动影响,两点温度控制能够使得产品浓度能够在很短的时间内恢复到误差允许范围内的稳定值,表明该控制策略能够有效应对进料流量以及进料组分的扰动。

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%。

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。

定量比较双反应段和外部环流反应精馏塔的性能

虽然单反应段外部环流反应精馏塔(RDC-TBER)相较于双反应段反应精馏塔(RDC-TRS)能够提高塔内部的物质耦合和能量耦合,从而达到节能的目的,但这种优越性有可能会随着进料和操作条件的改变而发生变化。文中针对一类具有最不利相对挥发度排序的四元理想可逆放热反应A+BC+D,基于化学平衡常数、相对挥发度和产物纯度这3个参数,以年总成本(TAC)为目标函数,分析比较了不同进料和操作条件下RDC-TBER和RDCTRS的稳态性能。由结果可知,在不同的进料和操作条件下,RDC-TBER较RDC-TRS均具有更小的TAC,证明了RDC-TBER具有更好的适应性。