摘 要

本文基于gPROMS流程模拟软件，对抽象可逆反应体系的带侧反应器的反应精馏过程（SRC）进行了模拟优化。本文建立了SRC过程的稳态，平衡级数学模型。在基础工况的条件上，研究进料方式对SRC过程的影响。保持塔结构参数和操作参数不变，以单位成本为目标函数进行优化，优化一种比较好的进料方式。从中发现，从反应器进料方式的效果比从塔板上进料方式效果好。前者具有更大的年产量和更低的单位成本。此外，本文初步探索了平衡常数对SRC过程的影响，主要是对塔内物质组成分布的影响。发现了轻组分A随平衡常数变化而出现的反常组成分布。并且分析了该过程反应对精馏的影响。模拟结果具有可逆反应体系SRC过程的一般规律，针对具体体系有参考价值。

关键词：反应精馏 可逆反应 进料方式优化 平衡常数

Study on the reversible reaction oriented reactive distillation process with side reactors

ABSTRACT

Based on the process simulation software gPROMS, this paper optimized the reactive distillation process with side reactors for the abstract reversible reaction. This paper established a steady mathematical equilibrium model for the reactive distillation process with side reactors (simply known as SRC). Based on the fundamental case, this paper studied the effect of feed ways on the SRC process. With the fixed structural parameters and operation parameters of the tower, this paper optimized a reasonable feed way to minimize the objective function, unit product cost. From the optimization, it was found that feeding in the reactor was better than feeding on the tray, because the former had larger annual production and lower unit product cost. In addition, this paper simply explored the effect of the reaction equilibrium constant on the SRC process. The study focused on the composition distribution of components in the tower. It was found that the composition distribution of the lightest component A began to be abnormal when the reaction equilibrium constant changed to a certain value. This paper analyzed the reason of this abnormal phenomena and the effect of the reaction on the distillation. The results of the simulation showed the general rules for abstract reversible reaction oriented reactive distillation with side reactors, which was also valuable to the specific reaction.

Key Words: Reactive distillation; Reversible reaction; Optimization of feed ways; Equilibrium constant

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 文献综述 1

1.1 反应精馏的特点 1

1.1.1 反应精馏的优势 1

1.1.2 塔内反应精馏的限制^[5] 2

1.1.3 反应精馏适用体系 2

1.1.4 反应精馏的应用 2

1.2 塔内耦合反应精馏技术（RD） 3

1.3 塔外耦合反应精馏技术（SRC） 3

1.3.1 耦合形式 4

1.3.2 过程应用 4

1.4 本文研究思路与内容 5

第二章 可逆反应SRC过程模拟 6

2.1 RD的稳态模拟^[4] 6

2.1.1 平衡级模型（EQ Model） 6

2.1.2 非平衡级模型（NEQ Model） 7

2.1.3 非平衡池模型（NEQ Cell Model） 7

2.2 RD的动态模拟 8

2.3 工艺过程 9

2.4 数学模型 9

2.4.1 反应器模型 9

2.4.2 精馏塔模型 10

2.4.3 焓值的计算 11

2.5 过程优化 12

2.5.2 模型中的变量 12

2.5.3 目标函数 13

第三章 两种反应物进料方式对可逆体系SRC过程的影响 15

3.1 物性数据 15

3.2 基础工况 16

3.3 两种物质都在反应器进料 17

3.3.1 A固定在第2台反应器进料B从两台反应器进料 17

3.3.2 B固定在第1台反应器进料A从两台反应器进料 18

3.3.3 两种物质都从反应器进料 19

3.3.4 三种方式比较 20

3.4 两种物质都在塔板上进料 20

3.4.1 A固定在第3板进料B从不同板进料 21

3.4.2 B固定在第1板进料A从不同板进料 22

3.4.3 A和B在同一板进料 23

3.4.4 三种方式比较 24

3.5 反应器进料与板上进料比较 24

第四章 平衡常数对可逆反应体系SRC过程的影响 26

4.1 平衡常数对年产量和单位成本的影响 26

4.2 平衡常数对组分A沿塔组成分布影响 27

4.2.1 轻组分A的组成分布 27

4.2.2 第1板上组分A的组成分析 28

4.2.3 第3板上组分A的组成分析 29

第五章 结论 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 文献综述

反应和分离的操作条件通常是不同的。实际生产中常常将反应后的物料循环，以此来提高反应的转化率和选择性，减少副产品的生成，降低能耗。

近年来，环境和经济的压力使得化工行业在保证生产的前提下更加注重高效与节能。因此，需要开发与传统技术不同的节能、高效新技术。考虑将反应与精馏耦合，发挥各自的优势，并且弥补劣势。

反应精馏是一种将反应和精馏耦合在一起的新技术，是在精馏过程中含有化学反应的特殊精馏。与普通先反应后分离的操作过程相比，可以利用精馏打破反应的平衡，也可以利用反应来促进精馏。Backhaus在1921年提出了反应精馏概念，随后许多专家和学者开始对其研究，拓展了反应精馏的适用体系，设计塔内部结构，以及建立反应精馏模型，并对其进行优化设计^[1]。目前反应精馏主要有塔内耦合^[2]与塔外耦合两种方式^[3]。

1.1 反应精馏的特点

反应精馏与传统先反应后精馏操作过程相比具有明显的优势，但同时对于塔内反应精馏过程也存在一定的限制。

1.1.1 反应精馏的优势

反应精馏使化学反应和传质过程同时发生，使其相互促进。存在以下优势：

（1）因为精馏过程和反应同时发生，可以使平衡不断向产物方向移动，提高反应物的转化率。

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