“背包式”反应精馏的模拟与优化

摘要

传统反应精馏是将化学反应与精馏分离结合在同一设备中进行的一种耦合过程，它具有简化流程、降低操作费用、增大可逆反应的转化率、增加主反应的选择性等优点，该技术已广泛应用于醚化、酯化、水解、缩合等反应体系中，但其局限性是要求体系的反应条件和分离条件一致。为了扩大反应精馏技术的应用范围，提出了在精馏塔外配置反应器的背包式反应精馏概念，外置反应器的形式、体积、操作条件等可以根据要求调节使其在最佳条件下操作，既保留了传统反应精馏耦合技术的优势又克服了其缺点。但是有关背包式反应精馏装置的反应能力和分离能力匹配问题研究较少，本文通过建立“背包式”反应精馏的模拟模型和优化模型探讨反应能力和分离能力的匹配问题。 针对背包式反应器与精馏塔耦合过程中循环流股多，模拟计算收敛难度大的缺点，本文将背包反应器看作一块没有分离能力的塔板插入到精馏塔中，引入Murphree板效率，对普通分离板和背包反应器进行区分，采用ASPEN PLUS的RadFrac模型描述这个复杂耦合过程的模拟模型。在固定精馏塔塔板数的情况下，讨论了背包反应器个数和间隔位置、进料位置、回流比和催化剂量等因素对醋酸甲酯合成的影响，初步探索了反应能力和分离能力的匹配问题。模拟结果表明在采用五个背包反应器，反应器之间间隔四块分离塔板的配置下，在适宜条件下可以使醋酸总转化率达到96.3％。 因为背包式反应精馏装置的反应能力和分离能力是相互影响的，本文在固定分离能力的前提下，对反应能力进行优化，研究反应能力和分离能力的匹配问题。具体的对于醋酸甲酯合成过程，固定精馏塔的分离能力（塔板数45块，塔底再沸器负荷6590kJ/s），对给定催化剂量进行优化分配，使反应能力最大。优化计算采用ASPEN PLUS中的SQP算法。优化结果为：进出料的流率为280kmol/h，催化剂总量为6000kg时，催化剂优化分配比平均分配时反应能力增加了560mol/h；在催化剂总量为6000kg时通过对反应能力的分配，限制产品含量不低于95％时，处理量由原来的280kmol/h增加到309kmol/h。 将上述“背包式”反应精馏的模拟模型和优化算法应用于醋酸丁酯的合成过程研究，固定精馏塔的分离能力（45块分离塔板，塔底再沸器负荷1808kJ/s），醋酸和丁醇进料流率50kmol/h，塔底产品采出速率为49.6kmol/h，第一个背包反应器与精馏塔第15块塔板连接，醋酸从第1个背包反应器进料，甲醇从第2个背包反应器进料，背包反应器之间间隔四块塔板，分水器中油相返回率为0.95，催化剂量为9000kg进行分配，优化计算的产品含量比平均分配的含量高2.26％。