反應(yīng)精餾相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展I——過(guò)程模擬技術(shù)

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1、維普資訊http://www.cqvip.com綜述與評(píng)論化上自動(dòng)化及儀表，2004，31(1)：6一l0ControlandInstrumentsinChemicalIndustry反應(yīng)精餾相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展(I)過(guò)程模擬技術(shù)張猛，徐用懋(清華大學(xué)自動(dòng)化系過(guò)程控制丁程研究所，北京100084)摘要：反應(yīng)精餾是一種特殊的精餾形式，它將化學(xué)反應(yīng)和分離過(guò)程耦合在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)進(jìn)行，具有傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為化工自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文以此為背景綜述了反應(yīng)精餾研究應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)——過(guò)程模擬技術(shù)的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：反應(yīng)精餾；過(guò)程模擬；穩(wěn)態(tài)模型；動(dòng)態(tài)模型中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2、文章編號(hào)：1000—3932(2004)(01)-0006-051引言和多解分析以及近幾年開(kāi)始優(yōu)化控制的研究幾個(gè)發(fā)反應(yīng)精餾是將化學(xué)反應(yīng)和精餾過(guò)程結(jié)合起來(lái)在展階段，并很快被推廣應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，如脂化、皂一個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行的一種單元操作。反應(yīng)精餾過(guò)程化、脂交換、胺化、水解、異構(gòu)化、烴化、鹵化、脫水、乙相對(duì)于傳統(tǒng)精餾過(guò)程可降低設(shè)備建設(shè)成本；顯著提?；拖趸确磻?yīng)。近年來(lái)大量文獻(xiàn)和專利對(duì)該項(xiàng)高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，某些情況下可以接近甚至達(dá)到技術(shù)進(jìn)行了研究并且已經(jīng)在工業(yè)中得到了應(yīng)100％；能夠提高反應(yīng)的選擇性；避免共沸物的形成用。由于反應(yīng)精餾特有的復(fù)雜性，在反應(yīng)精餾過(guò)給分離帶來(lái)的困難；同傳統(tǒng)工藝相比，在達(dá)到

3、相同轉(zhuǎn)程的設(shè)計(jì)、放大、操作特性和控制方案的研究等方面化率的情況下，反應(yīng)精餾顯著減少了催化劑的使用均存在一定的難度。這種狀況促進(jìn)了反應(yīng)精餾過(guò)程量；一定程度上的節(jié)能降耗。模擬技術(shù)的迅速發(fā)展。圖1是合成乙酸甲酯傳統(tǒng)工藝和反應(yīng)精餾工藝2反應(yīng)精餾的建模和求解的對(duì)比，由于物系存在多個(gè)共沸物，給后續(xù)分離帶來(lái)由于反應(yīng)精餾中反應(yīng)和精餾過(guò)程強(qiáng)烈耦合，即了困難(需要9個(gè)分離單元)，而反應(yīng)精餾過(guò)程克服使進(jìn)料位置、塔板數(shù)、傳熱速率、停留時(shí)間、催化劑、了這些問(wèn)題，只需要一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，極大地削減了副產(chǎn)品濃度以及反應(yīng)物進(jìn)料配比等參數(shù)值的很小變?cè)O(shè)備投資，且反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率接近100％?；?，都會(huì)對(duì)過(guò)程引起難以預(yù)料的強(qiáng)烈影響。因

4、此非常有必要在現(xiàn)有常規(guī)精餾過(guò)程模擬的理論基礎(chǔ)上對(duì)反應(yīng)精餾過(guò)程建立準(zhǔn)確有效的數(shù)學(xué)模型。2．1反應(yīng)精餾過(guò)程的分類由于反應(yīng)精餾的形式多樣，不同的研究者分類標(biāo)準(zhǔn)差異很大川。根據(jù)催化劑的不同，可分為均相反應(yīng)精餾和非均相反應(yīng)精餾過(guò)程(催化精餾)；從反應(yīng)速度劃分，可分為瞬時(shí)、快速、慢速反應(yīng)精餾過(guò)程；從設(shè)備形式分，可分為塔板式、填料式、混合式(板式、填料共存)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)精餾過(guò)程；從精餾過(guò)傳統(tǒng)工藝反應(yīng)精餾工藝程形式分，可分為連續(xù)和間歇過(guò)程；文獻(xiàn)[6]采用無(wú)圖1合成乙酸甲酯工藝對(duì)比因次準(zhǔn)數(shù)法對(duì)常見(jiàn)反應(yīng)精餾過(guò)程進(jìn)行了分類。不同的分類標(biāo)準(zhǔn)之間可組合出多種形式的反應(yīng)精餾過(guò)反應(yīng)精餾概念自1921年由Bacchaus提

5、出以來(lái)，程。已經(jīng)歷了從3O年代到60年代對(duì)特定體系的工藝探嚴(yán)格的機(jī)理模型帶來(lái)模型求解的困難，因此在索，70年代提出反應(yīng)精餾的計(jì)算方法，8O年代進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和最優(yōu)化研究，90年代進(jìn)行嚴(yán)格數(shù)學(xué)模擬收稿13期：2003—12,-04(修改稿)維普資訊http://www.cqvip.com第1期張猛等．反應(yīng)精餾相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展(I)·7·建模過(guò)程中，一般做如下近似化處理：①將非均相過(guò)模中的異同做了詳細(xì)分析，驗(yàn)證了非平衡級(jí)模型的程近似為擬均相過(guò)程?；②將填料結(jié)構(gòu)切割成“層”優(yōu)越性，發(fā)現(xiàn)由于平衡級(jí)模型忽略了相間傳質(zhì)的阻近似成板式塔處理。本文綜合眾多反應(yīng)形式的共力，在反應(yīng)精餾的一些特殊性能分析中得出了

6、不符同點(diǎn)，從建模的基本機(jī)理出發(fā)對(duì)反應(yīng)精餾模型研究實(shí)際的結(jié)果。此類模型適用于設(shè)計(jì)過(guò)程的中后期計(jì)進(jìn)展進(jìn)行介紹。算和在線過(guò)程優(yōu)化。2．2反應(yīng)精餾過(guò)程的反應(yīng)和傳質(zhì)子模型2．3．3非平衡級(jí)混合池模型反應(yīng)精餾根據(jù)反應(yīng)進(jìn)行程度假設(shè)其達(dá)到化學(xué)平非平衡級(jí)模型只拋棄了平衡級(jí)假設(shè)，而保留了衡或采用相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。相關(guān)的平衡參數(shù)和動(dòng)全混級(jí)假設(shè)。在小型精餾設(shè)備上，這樣的假設(shè)不會(huì)力學(xué)參數(shù)需要試驗(yàn)測(cè)定。引起很大的偏差，但對(duì)于大型設(shè)備，返混和級(jí)式接觸在非均相反應(yīng)精餾過(guò)程中，因?yàn)楣腆w催化劑的現(xiàn)象會(huì)對(duì)分離效果產(chǎn)生很大的影響，尤其對(duì)于反應(yīng)存在，反應(yīng)、傳質(zhì)過(guò)程比較復(fù)雜，如果嚴(yán)格考慮，應(yīng)該精餾過(guò)程來(lái)說(shuō)，氣液相的不均勻流動(dòng)將和渦流

7、擴(kuò)散包括氣液、液固間的反應(yīng)和傳質(zhì)現(xiàn)象”。該類模型極大地影響設(shè)備中化學(xué)反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)化率。傳稱之為三相模型。三相模型機(jī)理復(fù)雜，模型描述及統(tǒng)平衡級(jí)模型和非平衡級(jí)模型均不能精確描述以上求解困難，研究者普遍將液固間的反應(yīng)傳遞過(guò)程做過(guò)程。Higler針對(duì)此類問(wèn)題取消了塔板上兩相的全了簡(jiǎn)化，把非均相反應(yīng)近似為均相反應(yīng)進(jìn)行處理?；旒?jí)假設(shè)，提出非平衡級(jí)混合單元池模型。該類模型被稱之為擬均相模型或兩相反應(yīng)傳質(zhì)?；旌蠁卧啬Ｐ蛯⑺迳蠚庖?/p>