進(jìn)料分流強(qiáng)化雙反應(yīng)段蒸餾塔的綜合與設(shè)計(jì)
反應(yīng)蒸餾技術(shù)是反應(yīng)操作與分離操作相互耦合的產(chǎn)物,雖然它是一種最有代表性和最具發(fā)展?jié)摿Φ幕み^(guò)程強(qiáng)化技術(shù),具有大幅度降低設(shè)備投資成本與操作能耗的潛力,但是這種優(yōu)勢(shì)并沒有在所有的反應(yīng)物系中得到充分的體現(xiàn),在某些條件下,反應(yīng)蒸餾技術(shù)的劣勢(shì)甚至比那些傳統(tǒng)的工藝流程(一個(gè)反應(yīng)器和幾個(gè)傳統(tǒng)的蒸餾塔組成的工藝流程)還要明顯。例如,在分離不利物系(反應(yīng)物與產(chǎn)物的相對(duì)揮發(fā)度相間排列,即αR1>αP1>αR2>αP2或αP1>αR1>αP2>αR2)和最不利物系(反應(yīng)物是最輕和最重組分,產(chǎn)物是中間組分,相對(duì)揮發(fā)度的排列順序?yàn)?alpha;R1>αP1>αP2>aR2)時(shí),使用常規(guī)反應(yīng)蒸餾技術(shù)的能耗較大或者根本無(wú)法完成分離,這影響了反應(yīng)蒸餾技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮及其使用范圍。為了解決這些問題,前人提出了不同的反應(yīng)蒸餾結(jié)構(gòu)和改進(jìn)措施,但是這些方案中都存在著一個(gè)結(jié)構(gòu)缺陷,即他們都忽略了未反應(yīng)的反應(yīng)物通過(guò)產(chǎn)品側(cè)線采出口塔板的量和濃度對(duì)于反應(yīng)蒸餾塔設(shè)計(jì)的影響。為了研究這種影響,本文提出了“不利濃度”的概念,并提出了“不利濃度”判據(jù),以度量“不利濃度”的大小和研究其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的影響。為了消除“不利濃度”的影響,本文提出了一種新的過(guò)程強(qiáng)化方案,即采取進(jìn)料分流強(qiáng)化雙反應(yīng)段蒸餾塔的設(shè)計(jì),得到新的蒸餾塔設(shè)計(jì)方案——分料雙反應(yīng)段蒸餾塔。分料比、分料的數(shù)量和分料的進(jìn)料位置是分料雙反應(yīng)段蒸餾塔設(shè)計(jì)中重要的設(shè)計(jì)變量,它們的合理設(shè)計(jì)可以顯著加強(qiáng)蒸餾塔的內(nèi)部能量耦合與物質(zhì)耦合,這使得雙反應(yīng)段結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于分離不利物系并獲得了良好的穩(wěn)態(tài)性能。通過(guò)對(duì)6個(gè)反應(yīng)體系的對(duì)比研究結(jié)果表明,由于大幅度降低了“不利濃度”的影響,大大降低了蒸餾塔的操作能耗,與現(xiàn)有反應(yīng)蒸餾塔的結(jié)構(gòu)方案相比,本文提出的分料雙反應(yīng)段蒸餾塔具有最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能。對(duì)于最不利物系,分料雙反應(yīng)段蒸餾塔比現(xiàn)有最優(yōu)設(shè)計(jì)降低能耗最高達(dá)133.2%;對(duì)于不利物系,分料雙反應(yīng)段蒸餾塔比現(xiàn)有最優(yōu)設(shè)計(jì)降低能耗最高達(dá)4.92%。本項(xiàng)目的主要研究目標(biāo)是“不利濃度”對(duì)蒸餾塔設(shè)計(jì)的影響,建立以“不利濃度”及其判據(jù)為核心的理論框架,針對(duì)最不利物系以及不利物系,系統(tǒng)地研究分料雙反應(yīng)段蒸餾塔的優(yōu)化與設(shè)計(jì)主要的研究工作可以歸納為以下幾點(diǎn):1、利用平衡級(jí)模型對(duì)分料雙反應(yīng)段蒸餾塔進(jìn)行了模型化研究,并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。2、分別針對(duì)雙反應(yīng)段蒸餾塔和現(xiàn)有研究中穩(wěn)態(tài)性能最優(yōu)的外部環(huán)流反應(yīng)蒸餾塔進(jìn)行了靈敏度分析,對(duì)比重要設(shè)計(jì)和化學(xué)參數(shù)變化對(duì)兩種結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的影響,論述了兩種結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)缺點(diǎn),說(shuō)明了雙反應(yīng)段蒸餾塔的研究意義。3、提出了影響反應(yīng)蒸餾塔分離效率和能耗的因素,并提出了“不利濃度”的概念和“不利濃度”判據(jù)。
北京化工大學(xué)
2021-02-01