反应精馏相关技术研究进展I——过程模拟技术

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1、维普资讯http://www.cqvip.com综述与评论化上自动化及仪表，2004，31(1)：6一l0ControlandInstrumentsinChemicalIndustry反应精馏相关技术研究进展(I)过程模拟技术张猛，徐用懋(清华大学自动化系过程控制丁程研究所，北京100084)摘要：反应精馏是一种特殊的精馏形式，它将化学反应和分离过程耦合在一个设备中同时进行，具有传统工艺无法比拟的优势，已成为化工自动化领域的研究热点。本文以此为背景综述了反应精馏研究应用中的关键技术——过程模拟技术的研究进展。关键词：反应精馏；过程模拟；稳态模型；动态模型中图分类号：TP273文献标识码：A

2、文章编号：1000—3932(2004)(01)-0006-051引言和多解分析以及近几年开始优化控制的研究几个发反应精馏是将化学反应和精馏过程结合起来在展阶段，并很快被推广应用到生产实践，如脂化、皂一个设备同时进行的一种单元操作。反应精馏过程化、脂交换、胺化、水解、异构化、烃化、卤化、脱水、乙相对于传统精馏过程可降低设备建设成本；显著提酰化和硝化等反应。近年来大量文献和专利对该项高反应物的转化率，某些情况下可以接近甚至达到技术进行了研究并且已经在工业中得到了应100％；能够提高反应的选择性；避免共沸物的形成用。由于反应精馏特有的复杂性，在反应精馏过给分离带来的困难；同传统工艺相比，在达到

3、相同转程的设计、放大、操作特性和控制方案的研究等方面化率的情况下，反应精馏显著减少了催化剂的使用均存在一定的难度。这种状况促进了反应精馏过程量；一定程度上的节能降耗。模拟技术的迅速发展。图1是合成乙酸甲酯传统工艺和反应精馏工艺2反应精馏的建模和求解的对比，由于物系存在多个共沸物，给后续分离带来由于反应精馏中反应和精馏过程强烈耦合，即了困难(需要9个分离单元)，而反应精馏过程克服使进料位置、塔板数、传热速率、停留时间、催化剂、了这些问题，只需要一个单独的设备，极大地削减了副产品浓度以及反应物进料配比等参数值的很小变设备投资，且反应物转化率接近100％。化，都会对过程引起难以预料的强烈影响。因

4、此非常有必要在现有常规精馏过程模拟的理论基础上对反应精馏过程建立准确有效的数学模型。2．1反应精馏过程的分类由于反应精馏的形式多样，不同的研究者分类标准差异很大川。根据催化剂的不同，可分为均相反应精馏和非均相反应精馏过程(催化精馏)；从反应速度划分，可分为瞬时、快速、慢速反应精馏过程；从设备形式分，可分为塔板式、填料式、混合式(板式、填料共存)结构的反应精馏过程；从精馏过传统工艺反应精馏工艺程形式分，可分为连续和间歇过程；文献[6]采用无图1合成乙酸甲酯工艺对比因次准数法对常见反应精馏过程进行了分类。不同的分类标准之间可组合出多种形式的反应精馏过反应精馏概念自1921年由Bacchaus提

5、出以来，程。已经历了从3O年代到60年代对特定体系的工艺探严格的机理模型带来模型求解的困难，因此在索，70年代提出反应精馏的计算方法，8O年代进行数学模拟和最优化研究，90年代进行严格数学模拟收稿13期：2003—12,-04(修改稿)维普资讯http://www.cqvip.com第1期张猛等．反应精馏相关技术研究进展(I)·7·建模过程中，一般做如下近似化处理：①将非均相过模中的异同做了详细分析，验证了非平衡级模型的程近似为拟均相过程⋯；②将填料结构切割成“层”优越性，发现由于平衡级模型忽略了相间传质的阻近似成板式塔处理。本文综合众多反应形式的共力，在反应精馏的一些特殊性能分析中得出了

6、不符同点，从建模的基本机理出发对反应精馏模型研究实际的结果。此类模型适用于设计过程的中后期计进展进行介绍。算和在线过程优化。2．2反应精馏过程的反应和传质子模型2．3．3非平衡级混合池模型反应精馏根据反应进行程度假设其达到化学平非平衡级模型只抛弃了平衡级假设，而保留了衡或采用相应的动力学方程。相关的平衡参数和动全混级假设。在小型精馏设备上，这样的假设不会力学参数需要试验测定。引起很大的偏差，但对于大型设备，返混和级式接触在非均相反应精馏过程中，因为固体催化剂的现象会对分离效果产生很大的影响，尤其对于反应存在，反应、传质过程比较复杂，如果严格考虑，应该精馏过程来说，气液相的不均匀流动将和涡流

7、扩散包括气液、液固间的反应和传质现象”。该类模型极大地影响设备中化学反应的选择性和转化率。传称之为三相模型。三相模型机理复杂，模型描述及统平衡级模型和非平衡级模型均不能精确描述以上求解困难，研究者普遍将液固间的反应传递过程做过程。Higler针对此类问题取消了塔板上两相的全了简化，把非均相反应近似为均相反应进行处理。混级假设，提出非平衡级混合单元池模型。该类模型被称之为拟均相模型或两相反应传质模混合单元池模型将塔板上气液