精餾塔設(shè)備的設(shè)計(jì)及節(jié)能研究進(jìn)展創(chuàng)新實(shí)踐論文(編輯修改稿)
2024-07-15 18:46 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ，以下簡(jiǎn)稱ＲＤ）是將化學(xué)反應(yīng)過程和精餾分離過程耦合在一個(gè)單元操作中的過程。它的概念是在１９２１年由Ｂａｃｋｈａｕｓ所提出。反應(yīng)精餾過程與常規(guī)精餾相比，有著轉(zhuǎn)化率和選擇性高；溫度控制較容易；反應(yīng)時(shí)間短；操作費(fèi)用低；設(shè)備投資少等常規(guī)的精餾塔與反應(yīng)器分離的過程所不具備的優(yōu)點(diǎn)。近幾年來，由于能源日趨緊張，對(duì)生產(chǎn)成本的控制要求逐漸增大，對(duì)于反應(yīng)精餾的研究的重點(diǎn)逐步由面向理論架構(gòu)的縱向研究，轉(zhuǎn)移到面向?qū)嶋H生產(chǎn)工藝（如乙酸甲酯，乙酸乙酯，碳酸二甲酯等）的橫向研究上。此外，近三年來反應(yīng)精餾的研究有相當(dāng)一部分是與隔壁塔相結(jié)合的反應(yīng)精餾隔壁塔。２．２ 反應(yīng)精餾的穩(wěn)態(tài)模擬數(shù)學(xué)模型 目前在反應(yīng)精餾穩(wěn)態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型中，最為簡(jiǎn)捷，便于計(jì)算的是平衡級(jí)模型。該模型基于３個(gè)主要假設(shè)：①假設(shè)離開一個(gè)理論級(jí)的氣液相混合物處于相平衡狀態(tài)。②假設(shè)每一級(jí)上的混合物完全混合均勻。③反應(yīng)僅發(fā)生在液相當(dāng)中?；谶@個(gè)模型，計(jì)算時(shí)在精餾塔嚴(yán)格計(jì)算的平衡級(jí)模型的ＮＥＳＨ方程組的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程（Ｒ方程）。關(guān)于平衡級(jí)模型的介紹較多，此處不再贅述。然而，在使用平衡級(jí)模型對(duì)反應(yīng)精餾塔進(jìn)行計(jì)算時(shí)，平衡級(jí)模型并未考慮到反應(yīng)精餾過程中的板效率，這使得平衡級(jí)模型在實(shí)際用于工業(yè)計(jì)算時(shí)準(zhǔn)確度不高。由于平衡級(jí)模型的這些局限性，Ｋｒｉｓｈｎａｍｕｒｔｈｙ等于１９８５年提出了以雙膜傳遞理論為基礎(chǔ)的非平衡級(jí)速率模型。由于引入了反應(yīng)速率這一變量，該模型比平衡級(jí)模型要實(shí)際一些，但仍存在著諸如板上氣液相全混、板上物料組成和溫度均勻等理想化假設(shè)，并且方程組的非線性程度增加，導(dǎo)致計(jì)算的難度加大。上述的兩個(gè)模型中，分別存在著“平衡級(jí)”和“全混級(jí)”這些不合理的假設(shè)，由于這些假設(shè)的不合理性，傳統(tǒng)精餾模擬中的非平衡級(jí)混合池模型就也被引入到反應(yīng)精餾模擬當(dāng)中。該模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬出實(shí)際的反應(yīng)精餾過程，是對(duì)平衡級(jí)模型的提高與進(jìn)一步的完善。除上述３種主要反應(yīng)精餾穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型之外，還有統(tǒng)計(jì)模型、微分模型等諸多數(shù)學(xué)模型，多種數(shù)學(xué)模型的研究標(biāo)志著對(duì)于均相反應(yīng)的反應(yīng)精餾的穩(wěn)態(tài)過程模擬研究已經(jīng)比較成熟。２．３ 反應(yīng)精餾的設(shè)計(jì)算法 反應(yīng)精餾塔的設(shè)計(jì)方面的研究目前仍未形成系統(tǒng)的理論體系。這是因?yàn)樵撨^程是一個(gè)反應(yīng)與精餾的耦合過程，反應(yīng)過程與精餾過程在同一個(gè)容器中，二者相互影響，使原來進(jìn)料位置、副產(chǎn)物濃度、傳熱、速率、停留時(shí)間、板數(shù)、催化劑以及反應(yīng)物進(jìn)料配比等參數(shù)的很小變化，都可能對(duì)反應(yīng)精餾過程產(chǎn)生較大影響，所以對(duì)該集成過程的研究比二者單獨(dú)研究要困難得多。基于上述原因，反應(yīng)精餾的設(shè)計(jì)研究在２０世紀(jì)８０年代下半葉才逐漸增多，到目前為止，主要的反應(yīng)精餾塔設(shè)計(jì)方法主要有直觀推斷法、圖示目標(biāo)法、圖解設(shè)計(jì)法、數(shù)學(xué)模擬法、混合整數(shù)非線性規(guī)劃法等。Ｄｏｈｅｒｔｙ和Ｂａｒｂｏｓａ提出單一反應(yīng)的簡(jiǎn)單精餾轉(zhuǎn)換組成變量，并研究了其剩余曲線。之后在此基礎(chǔ)上，Ｄｏｈｅｒｔｙ和Ｕｎｇ又研究了在含有惰性組分的反應(yīng)精餾系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換組成變量和剩余曲線圖。Ｂｌｅｓｓｉｎｇ等在轉(zhuǎn)換組成變量的基礎(chǔ)上，提出了反應(yīng)空間和反應(yīng)精餾線的概念，并結(jié)合反應(yīng)精餾線和精餾線，研究了反應(yīng)精餾過程的序列?；谵D(zhuǎn)換變量的概念，Ｔｈｏｎｇ等將塔板組成線法應(yīng)用到了反應(yīng)精餾塔設(shè)計(jì)當(dāng)中。這種設(shè)計(jì)理念與前文所述的塔板組成線在常規(guī)精餾塔設(shè)計(jì)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)類似，改變了原有的圖解法設(shè)計(jì)反應(yīng)精餾塔的思路，塔板組成線法使得設(shè)計(jì)者可以同時(shí)獲得大量的可行設(shè)計(jì)方案。楊小剛等給出了塔板組成線法對(duì)反應(yīng)精餾塔的圖解法設(shè)計(jì)的策略，并給出了精餾段和提餾段的反應(yīng)精餾塔塔板組成線方程，設(shè)計(jì)可行性判據(jù)，并對(duì)理想反應(yīng)體系進(jìn)行了實(shí)例的設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果表明，塔板組成線法對(duì)反應(yīng)精餾塔的設(shè)計(jì)較為系統(tǒng)，復(fù)雜程度小，迭代快，計(jì)算時(shí)間短，多組可行性方案的同時(shí)獲得，使得該方法對(duì)于已有設(shè)備的改造與優(yōu)化更為便利。綜上所述，在反應(yīng)精餾這一領(lǐng)域中，反應(yīng)精餾塔的設(shè)計(jì)是在穩(wěn)態(tài)模擬數(shù)學(xué)模型成熟之后才開始逐漸增多，由于起步相對(duì)較晚，尚未形成系統(tǒng)的理論體系，研究前景相對(duì)廣闊。由于反應(yīng)精餾塔的復(fù)雜性，使得其設(shè)計(jì)方法入手點(diǎn)較多，但這些方法大都只能應(yīng)用于理想體系，在非理想體系的設(shè)計(jì)方向上，尚存在著廣闊的研究空間。三 精餾塔操作能耗高體現(xiàn) 原因分析：回流量過大造成熱能
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