新型反应精馏集成过程与传统反应精馏过程的比较

第 30卷第 5期 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2008年 9月 JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (Natural Science Edition) V0I_30 No．5 Sep．2008 新型反应精馏集成过程与传统反应 精馏过程的比较 刘彬彬，汤吉海，乔 旭，崔咪芬 (南京工业大学 化学化工学院，江苏 南京 210009) 摘 要：在传统反应精馏塔模型中引入 Murphree板效率，建立 了带侧反应器的新型反应精馏集成过程的模型，采 用Aspen Plus的 RADFRAC模块计算效率高，结果可靠．从反应量、温度、液相摩尔流率和组成分布等系统地比较了 新型反应精馏集成过程与传统反应精馏过程．结果表明，带5个侧反应器的新型反应精馏集成过程可以达到传统 反应精馏塔的等同效果，并且新型集成过程的精馏塔结构比传统反应精馏塔结构简单，设备尺寸小． 关键词：反应精馏；集成过程；侧反应器 中图分类号：TQ028．1 3 文献标识码：A 文章编号：1671—7627(2008)05—0063—05 Comparison between novel reactive distillation process integrated with side reactors and traditional reactive distillation process LIU Bin—bin，TANG Ji—hal，QIAO Xu，CUI Mi—fen (College of Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University ofTechnology，Nanjing 210009，China) Abstract：The model of a novel reactive distillation process integrated with side reactors was established using Mur． phree stage efficiency in traditional reactive distillation model，which was efficiently solved by RADFRAC of Aspen Plus．The results were credible to the distributions of reaction，temperature，liquid molar flow rate，and components in the novel reactive distillation process were compared with ones of traditional reactive distillation．The results show that the novel reactive distillation with five side reactors has the same effect as traditional reactive distillation，and the column of the novel reactive distillation integrated process was simpler and smaller than traditional ones． Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s：reactive distillation；integrated process；side reactor 反应精馏是将化学反应与精馏分离2种过程在 同一设备中进行的耦合过程．与传统工艺相比，反应 精馏具有选择性高、转化率高、生产能力高、产品纯 度高、投资少、操作费用低和能耗低等特点 J． 然而，在同一设备中进行的反应精馏耦合过程 要求化学反应和精馏过程的操作工况(温度和压 力)一致．反应精馏装置的设计与操作复杂，因而限 制了该强化过程的应用范围．为了解决上述问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，提 出了在反应精馏塔外集成侧反应器的方法 ．Baur 等 I4 将带侧反应器的反应精馏过程应用于合成乙 酸甲酯和乙基叔丁基醚等的可逆反应取得成功．本 课题组 将该技术用于甲苯侧链光氯化、环己烷 氯化等连串反应，转化率和选择性也大大提高．但是 有关带侧反应器的新型反应精馏过程与传统反应精 馏过程的比较研究较少，本文以乙酸和甲醇酯化合 成乙酸甲酯为对象，采用化工 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 模拟软件 Aspen Plus分别对 2种过程进行比较，研究 2种过程的等 效性和差异性． 收稿日期：2008-05．22 作者简介：刘彬彬(1978一)，女，吉林长春人，硕士生，主要研究方向为反应精馏模拟计算； 乔 旭(联系人)，教授，E-mail：qct@njut．edu．on． 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 30卷 1 新型反应精馏集成过程 1．1 带侧反应器的反应精馏集成过程 图 1为带侧反应器的反应精馏过程示意图． 侧反应器是将传统反应精馏在塔内发生的反应 移到塔外侧反应器进行，从精馏塔板采出液相进 入与之相连的侧反应器，反应后进入精馏塔的下 一 块塔板．在精馏塔外完成反应的侧反应器可以 为反应提供最佳化的反应空间，解决了对反应的 要求(如高液体或催化剂持有量)和分离要求(如 气一液界面面积大)不能兼容的问题 ，同时也解决 了催化剂的装填问题 ，突破反应和分离必须在相 同的温度和压力下进行的局限性，并且可以根据 工艺需要控制反应量，使反应和分离达 到最佳 匹配． 乙 塔底再沸器 图 1 带侧反应器的反应精馏示意图 Fig．1 Schematic diagram of reactive distillation with side reactors 1．2 工艺流程数据 以生产乙酸甲酯为 目的，采用新型反应精馏装 置集成过程，反应精馏塔为 45理论板(包括冷凝器 和再沸器)；甲醇和乙酸都是常压进料，进料温度为 40℃，进料量为280 kmol／h，分别从第4块塔板和第 34块塔板连续进料，产物乙酸甲酯从塔顶馏出．精 馏塔外耦合 5个侧反应器，每个侧反应器与精馏塔 的集成位置和反应器体积如表 1所示，总反应体积 为 115 m ． 采用传统反应精馏技术，反应精馏塔为45理论 板(包括冷凝器和再沸器)．反应段是从第 19～39 块塔板，总反应体积是 1 15 m ，平均每块塔板反应体 积为5．5 m ．其他工艺流程参数同上． 表 1 侧反应器外耦合位置和反应体积 Table 1 Local stage and overall catalyst load 2 模拟计算模型和方法 2．1 物性方法 乙酸和甲醇酯化合成乙酸甲酯的体系中，溶剂 效应影响甚大，液相具有强非理想性，而且乙酸存在 气相缔合作用(主要形成二聚体)，也严重偏离理想 行为，因此在相平衡计算时必须同时考虑气、液两相 的非理想性．在Aspen Plus软件中选择 NRTL—HOC 模型 j． 2．2 动力学模型 动力学模型采用指数形式的速率控制模型． r=m l(k+l d 一k_l b) k+1=ko1exp(一E+1／Rr) k — l= 1exp(一E—l／RT) 式中：r为反应速率；m 为催化剂的质量；ko。、 分 别为正、逆反应的指前因子；E+。、E一 分别为正逆反 应的活化能； 札、 、Xd为组分的液相摩尔分数．动 力学模型参数采用文献[9]中的数据，如表 2所示． 表 2 动力学模型参数 Table 2 Param eters of kinetic models 反应类型 指前因子／(kmol·g一·s )活化 (kJ·mol ) 2．3 模拟模型 2．3．1 多循环回路模型 带侧反应器的反应精馏集成过程可以看作由多 台侧反应器与多段精馏塔串联的复杂工艺流程．在 Aspen plus软件中，精馏塔模型选用 RADFRAC模 块，侧反应器模型选用 RCSTR(连续搅拌釜式反应 器)模块．对于含有一个侧反应器的反应精馏集成 过程可以采用如图2所示的工艺流程． 第5期 刘彬彬等：新型反应精馏集成过程与传统反应精馏过程的比较 65 图2 多循环回路模型 Fig．2 Model with multi—cycle loop 由于侧反应器与精馏塔具有多个回路，因此在 采用 Aspen Plus的序贯模块法进行模拟计算时需要 进行回路断裂，选择进入上一段精馏塔的进料流股 作为断裂流股，并在计算开始前给定初始值．每一个 断裂流股均需收敛，同时收敛所需运算时问较长，在 Intel双核 3．40 GHz CPU、2 G内存的计算机上，含5 个侧反应器的反应精馏集成过程合成乙酸甲酯需要 83 min经480次迭代才收敛．因此，建立快速、可靠 的带侧反应器反应精馏集成过程的模拟模型和计算 方法是进行过程设计与优化的关键． 2．3．2 Murphree板效率改进模型 将侧反应器作为一块没有分离能力的塔板，插 入到与精馏塔相连的上下两块塔板之问，则可以将 带侧反应器的反应精馏集成过程简化为如图3所示 的精馏塔模型． l ●stagej一1 f 1 ： ‘l ▲stagej+1 l l l 塔板i-1 进料 塔板 图3 Murphree板效率改进模型 Fig．3 Modified model based on Murphree efficiency 图3中： 为 Murphree板效率；V为塔内气相流 量；L为塔内液相流量．在模型中存在 2种塔板 ，通 过 Murphree板效率区分分离塔板和反应塔板，分离 塔板的Murphree板效率设定为 1，反应塔板的 Mur— phree板效率设定为0．将复杂的带侧反应器的反应 精馏集成过程的模拟模型用一个精馏塔模型替代， 这样就可以用 Aspen Plus中的一个 RADFRAC模块 描述这个复杂模型． 同样对于一个含有 5个侧反应器的新型反应精 馏集成过程，采用以Murphree板效率改进的 RADF— RAC模块计算经过 9次迭代就可以收敛，运算时问 仅10 S．采用多循环回路模型和 Murphree板效率改 进模型得到的结果比较如表3所示． 表 3 模拟结果 Table 3 Sinmlation results 由表3可知，Murphree板效率改进模型计算结 果与多循环回路模型是一致的．但是迭代收敛时间 减少很多。因此采用 Murphree板效率改进模型计 算带侧反应器的反应精馏集成模型优势明显，以下 的新型反应精馏集成过程的计算均采用该模型． 3 结果与讨论 3．1 反应量的比较 图4为2种过程反应量的分布．由图4可知，对 于传统反应精馏过程，反应量主要集中在第 32～38 块塔板，其 中第 33、34块塔板反应量最大超过 5O kmol／h；其他塔板上的反应量较小，尤其是第19～30 块塔板，总反应量小于 10 kmol／h，催化剂的使用效 率极低．而采用新型反应精馏集成过程，虽然侧反应 器的反应量差别较大，除第一个侧反应器外的其他 侧反应器的反应量均较大，尤其是第 4个侧反应器 的反应量达到 111．2 kmol／h，相当于传统反应精馏 过程第 33、34块塔板反应量之和．并且，传统反应精 馏塔总反应量为271．2 kmol／h，新型反应精馏塔总 反应量为265．3 kmol／h，两者的总反应量相差很小． 通过以上比较发现，侧反应器精馏塔的反应总 量略低于反应精馏塔的反应总量．在通过侧反应器 的液体量较高的情况下，带有 5个侧反应器的结构 性能接近于一个反应精馏塔的性能． 3．2 温度分布的比较 图5为新型反应精馏集成过程与传统反应精馏 塔的温度分布．由图5可知，由于 2种过程的总反应 南 京 工 业 大 学 学 报 (自然 科 学 版) 第 30卷 一 传统反应精{ 集成 - 口 新型反应精1 集成 一 1一． ．．1I ⋯ 反应塔板位置 图4 塔内反应量分布 Fig．4 Distribution of reaction products 量基本一致，而精馏塔的第 19块塔板之前和第 40 块塔板之后均为分离塔板，所以温度分布在第 19块 塔板之前和第 40块塔板之后是重合的．在第 l9块 塔板上，由于新型集成过程的反应量较大，生成低沸 点乙酸甲酯的量多，所以泡点温度比传统反应精馏 温度低．并且新型集成过程的温度分布在第 19～40 块塔板之间出现多个上下波动，也是因为侧反应器 生成大量乙酸甲酯，反应量越大波动幅度越大．而传 统反应精馏过程的温度分布在反应精馏区呈现出较 光滑的先下降后升高的趋势，这是因为从第 9～39 块反应板，反应量先增加后减小，温度分布的变化同 样与反应量有关． 魁 赠 按 图5 温度分布 Fig．5 Distribution of temperature 3．3 液相摩尔流率的比较 图6为2种过程精馏塔内液相摩尔流率分布的 比较．由图6可知，第 1～19、34～49塔板上液相摩 尔流率基本一致．传统反应精馏过程由于每块塔板 上反应量比新型集成过程少，并且酯化反应微放热， 使得新型集成过程反应区域的放热量略大，新型集 成过程的液相摩尔流率比传统反应精馏塔在反应精 馏段略低． 二 吕 血I 堪 图6 液相摩尔流率分布 Fig．6 Distribution of liquid moral flow rate 3．4 组成分布的比较 图7、8为2种过程精馏塔内组分分布的比较．由 图7、8可知，传统反应精馏塔与新型反应精馏塔中乙 酸、甲醇、水、乙酸甲酯塔内的分布基本一致． 蠡 世 5 l0 15 2O 25 3O 35 40 45 50 塔板位置 图7 乙酸和甲醇的组成分布 Fig．7 Distribution of molar fraction of acetic acid and methanol 蠡 料 图 8 乙酸甲酯和水的组成分布 Fig．8 Distribution of molar fraction of methyl acetate and water 3．5 精馏塔尺寸的比较 新型集成过程的精馏塔，塔径为2．6 m，塔内塔 板不需特殊设计．而传统反应精馏塔塔径为2．7 m， 比新型集成过程的塔径略大．在反应精馏段虽然上 升蒸汽量与分离段基本一样，但考虑满足塔内反应 持液量的需要，在堰高为 140 mm下，计算得到反应 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 0 9 8 7 6 5 4 3 2 一 一0Ⅲ芒唧 辫 O 9 8 7 6 5 4 3 2 l 1 O 0 O 0 O O O 0 O O 第 5期 刘彬彬等：新型反应精馏集成过程与传统反应精馏过程的比较 67 段塔径为9．5 1TI，远大于分离段和新型反应精馏集 成过程的直径．并且，因为分离段和反应精馏段的塔 径不同，在相同气相流率下，塔内流体力学性能不 同，压降也不同． 4 结 论 针对带侧反应器的反应精馏集成过程，建立了 多回路循环模型和 Murphree板效率改进模型，计算 结果一致．Murphree板效率模型的迭代步骤和收敛 时间要小得多，计算效率高． 通过对带侧反应器的反应精馏集成过程与传统 反应精馏的反应量、温度、液相摩尔流率和组成分布 的比较，采用 5个侧反应器与精馏塔集成的新型反 应精馏过程可以达到传统反应精馏过程的效果，可 以替代传统反应精馏塔．由于侧反应器与精馏塔相 对独立，新型集成过程的精馏塔结构比传统反应精 馏塔小，结构简单． 参考文献： [1] 马敬环，刘家祺，李俊台，等．反应精馏技术的进展[J]．化 学反应工程与工艺，2003，19(1)：1—8． Ma Jinghuan，Liu Jiaqi，LI Juntai，et a1． Progress in reactive distillation techology[J]．Chemical Reaction Engineering and Technology，2003，19(1)：1—8． [2] 松德马赫尔 K，金勒 A．反应精馏[M]．朱建华，译．北京： 化学工业出版社，2005． 1 3] Baur R，Krishna R．Distillation column with reactive pump a一 [5] [6] [7] [8] [9] rounds：an alternative to 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