進(jìn)料分流強化雙反應(yīng)段蒸餾塔的綜合與設(shè)計
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^程強化技術(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)的劣勢甚至比那些傳統(tǒng)的工藝流程(一個反應(yīng)器和幾個傳統(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,相對揮發(fā)度的排列順序為αR1>αP1>αP2>aR2)時,使用常規(guī)反應(yīng)蒸餾技術(shù)的能耗較大或者根本無法完成分離,這影響了反應(yīng)蒸餾技術(shù)優(yōu)勢的發(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結(jié)構(gòu)缺陷,即他們都忽略了未反應(yīng)的反應(yīng)物通過產(chǎn)品側(cè)線采出口塔板的量和濃度對于反應(yīng)蒸餾塔設(shè)計的影響。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程強化方案,即采取進(jìn)料分流強化雙反應(yīng)段蒸餾塔的設(shè)計,得到新的蒸餾塔設(shè)計方案——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)計中重要的設(shè)計變量,它們的合理設(shè)計可以顯著加強蒸餾塔的內(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。通過對6個反應(yīng)體系的對比研究結(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)計降低能耗最高達(dá)133.2%;對于不利物系,分料雙反應(yīng)段蒸餾塔比現(xiàn)有最優(yōu)設(shè)計降低能耗最高達(dá)4.92%。本項目的主要研究目標(biāo)是“不利濃度”對蒸餾塔設(shè)計的影響,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)計主要的研究工作可以歸納為以下幾點:1、利用平衡級模型對分料雙反應(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,對比重要設(shè)計和化學(xué)參數(shù)變化對兩種結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)設(shè)計的影響,論述了兩種結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)設(shè)計方面的優(yōu)缺點,說明了雙反應(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