淺述反應(yīng)精餾塔的優(yōu)點及設(shè)計

朱騰騰 李超

摘 要：反應(yīng)精餾塔做為化學(xué)工藝的一般過程可以分為以下三個部分：原料提純、化學(xué)反應(yīng)以及產(chǎn)物精制，原料提純以及產(chǎn)品精制一般涉及分離工程學(xué)科的內(nèi)容，盡管有化學(xué)吸附等有化學(xué)過程存在，但原料的提純和精制過程大都屬于相態(tài)變化的操作，而反應(yīng)部分則主要涉及催化以及反應(yīng)工程學(xué)科。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)精餾塔，優(yōu)點，設(shè)計

一、反應(yīng)精餾塔簡介

如果將化學(xué)反應(yīng)以及精餾過程合二為一，即在一個設(shè)備中同時進行化學(xué)反應(yīng)以及精餾過程，這樣便產(chǎn)生了一個新的概念——反應(yīng)精餾。

反應(yīng)精餾（Reactive distillation process）是化學(xué)反應(yīng)和分離在同一精餾設(shè)備中完成的過程。目前有皂化、酯化、醚化等多種生產(chǎn)過程實現(xiàn)了反應(yīng)精餾的集成化操作。這種操作既可以對難以用普通精餾過程分離的系統(tǒng)，通過添加某種組分，使之與被分離組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)混合物體系的分離；又可使反應(yīng)混合體系中的某種組分不斷從塔中分離出來，改變系統(tǒng)的相平衡和化學(xué)平衡，使之反應(yīng)繼續(xù)進行，提高轉(zhuǎn)化率。

（一）反應(yīng)精餾塔的優(yōu)點

反應(yīng)精餾過程可以縮短生產(chǎn)流程、減少成本投資；對于多數(shù)放熱反應(yīng)還可以利用反應(yīng)熱供分離所需，降低所需能耗；同時作為一種新型分離技術(shù)，還可用于某些特殊精餾。因此，研究反應(yīng)精餾過程的優(yōu)化設(shè)計具有重要的理論意義和實用價值。

（二）反應(yīng)精餾塔過程設(shè)計

Backhaus在1921年提出有關(guān)反應(yīng)精餾的思想。由于在精餾塔中反應(yīng)的分離之間存在許多影響因素，即使板數(shù)、傳熱、速率、進料位置、停留時間、催化劑、副產(chǎn)物濃度以及反應(yīng)物進料配比等參數(shù)的很小變化，都可能對過程產(chǎn)生很大影響，所以對該集成過程的研究要困難得多。因此，早期在反應(yīng)精餾領(lǐng)域的研究一直以特定體系的數(shù)學(xué)模擬和實驗探索為主。

當(dāng)生產(chǎn)過程的反應(yīng)和分離條件與要求確定后，進行化學(xué)反應(yīng)和精餾過程集成化設(shè)計的目的是為了確定過程的可行性，合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。要更好地發(fā)揮反應(yīng)精餾過程的優(yōu)點，從技術(shù)上考慮，反應(yīng)精餾設(shè)備的選型，工藝流程和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的選定起著十分關(guān)鍵的作用。目前提出的設(shè)計方法主要有：

1、直觀法。直觀推斷法是基于反應(yīng)精餾系統(tǒng)的實際經(jīng)驗和物理化學(xué)知識提出的一種結(jié)構(gòu)綜合的決策規(guī)則。

2、混合整數(shù)非線性規(guī)劃法。該法是通過混合整數(shù)非線性規(guī)劃對反應(yīng)精餾設(shè)計進行優(yōu)化研究的方法。其優(yōu)點在于可提供模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并進行同時優(yōu)化，但必須是事先給出各種可能的組合。

3、數(shù)學(xué)模擬法。數(shù)學(xué)模擬法是在精餾過程模擬的數(shù)學(xué)模型中引入化學(xué)反應(yīng)平衡項，并假定塔的操作參數(shù)已知，對大型非線性方程進行求解，得出塔內(nèi)溫度、流量、轉(zhuǎn)化率等分布參數(shù)。這樣得到的結(jié)果雖比較準(zhǔn)確可靠，但計算量大，特別是要憑經(jīng)驗確定塔的初值和操作參數(shù)。

4、圖解設(shè)計法。圖解設(shè)計法根據(jù)反應(yīng)和精餾過程的特點，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和公式繪制算圖用于反應(yīng)精餾過程的設(shè)計，可簡化某些繁瑣的計算過程，為數(shù)學(xué)模擬提供較為準(zhǔn)確的初值，并可為不便于數(shù)學(xué)表達的復(fù)雜問題提供分析手段、策略和方法。

（三）對反應(yīng)精餾操作以及工藝條件的選擇

由于反應(yīng)精餾不同于其他一般的精餾過程，反應(yīng)精餾的復(fù)雜性使過程的設(shè)計、放大、操作性能和控制方案的研究等方面均存在較大的困難，上述這些反應(yīng)精餾過程的初步設(shè)計方法目前還未形成全面有效的理論體系要在這一領(lǐng)域里開展深入的研究工作，應(yīng)該從理論上進行分析探討。但是在實際情況中，還不得不靠經(jīng)驗來處理某些問題。ChemCAD就可解決上述問題。

二、ChemCAD軟件簡介

（一）ChemCAD化工模擬系統(tǒng)的簡介

ChemCAD是美國CHEMSTATIONS公司開發(fā)的化工模擬軟件。它可以用嚴格的和最新的計算方法進行單元操作乃至全過程的模擬計算，對現(xiàn)有裝置進行評價，為企業(yè)提供可靠的相關(guān)依據(jù)，達到優(yōu)化設(shè)計和操作的目的。

ChemCAD軟件提供了包括鹽、堿、烴類、電解質(zhì)（共有220種不同的電解質(zhì)）、酸或其它精細化工應(yīng)用方面的所有內(nèi)容的大量最新的熱力學(xué)計算方法，共有30多種K值和12種H值的計算方法，還有不同的粘度方法、熵方法、密度方法、蒸汽壓方法，以及計算導(dǎo)熱系數(shù)和表面張力的方法可供選擇。這些給用戶帶來了很多的方便。

目前，國內(nèi)主要應(yīng)用于精餾操作。在ChemCAD內(nèi)部，精餾模塊分為嚴格型和簡捷型兩種。簡捷型以Fenske-Underwood-Gilliland模擬為基礎(chǔ)，只能解決單塔的簡單精餾操作。嚴格型包括SCDS（Simultaneous Correction Distillation System）、Tower和Tower Plus 三種計算模塊。ChemCAD推薦標(biāo)準(zhǔn)塔（即1個輸入物流和2個產(chǎn)品物流）可使用Tower，對于帶有熱交換器、循環(huán)泵和側(cè)線采出的塔則使用Tower Plus。SDCS通常用來模擬非理想體系，它使用的是牛頓-拉普拉斯法收斂計算，允許氣液兩相中存在20多個組分。它不僅能夠模擬簡單塔的計算，還可以處理5個側(cè)線進料和4個側(cè)線采出的復(fù)雜精餾情況，提供了Murphee板效率選擇項。此外，該模型還提供了冷凝器和再沸器的多種選擇。較之前兩類，SCDC功能強大，但運算時間較長，特別是組分數(shù)≥10.

（二）ChemCAD模擬化工流程的一般步驟

1、新建一個流程。在ChemCAD中新建一個流程很簡單，只要單擊File菜單下的New命令，你可以選擇合適的路徑存儲這個新流程。

ChemCAD是一個綜合性的過程模擬程序，化學(xué)工程師熟悉的幾乎所有的單元操作，包括像嚴格的反應(yīng)器、換熱器、精餾塔、壓縮機、混合器等單元裝置的流程圖，都可在Windows下通過使用ChemCAD來模擬。

選擇流程圖計算所需要的單元操作，并把它們放在主窗口中，物流是工藝過程計算的連接器，通過物流信息由一個單元操作傳遞到另一個單元操作。

2、選擇合適的單位。選擇合適的單位也是非常重要的，單擊Format菜單下的Engineering Unit命令，就可以選擇合適的單位制，如國際制單位、英制單位、或者任何作者熟悉習(xí)慣使用的單位。

3、選擇物系組分。ChemCAD有其強大的模擬功能，而支撐這些功能的基礎(chǔ)是完善的物性數(shù)據(jù)庫。ChemCAD默認三種類型的物性數(shù)據(jù)庫：ChemCAD數(shù)據(jù)庫（ChemCAD database）、組織共享數(shù)據(jù)庫（organizational pool database）、本地用戶數(shù)據(jù)庫（local user database）。