精餾集成過程研究進展

莫可璋

摘 要：本文綜述了國內(nèi)外精餾從基礎到應用的研究概況。從轉化率、選擇性、塔內(nèi)溫度、組成分布等方面，分析了精餾與傳統(tǒng)反應精餾的等效性，指出精餾的優(yōu)勢在于工況的靈活選擇利于實現(xiàn)反應與分離能力的最佳匹配。介紹了精餾在穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化、動態(tài)模擬及控制等方面的研究進展，并從不同工況反應與精餾集成技術的應用、便捷的催化劑裝填與反應器設計應用兩個角度歸納了該技術的應用進展。最后，從優(yōu)化設計理論、先進控制方法、能量綜合利用以及強化酶催化反應等方面對精餾進一步的研究與應用進行展望。

關鍵詞：過程強化;精餾;過程集成;優(yōu)化設計;過程控制

0 前言

反應精餾（RD）是化學工業(yè)過程強化技術的成功典范之一。其將化學反應與精餾分離耦合在同一單元設備中同時進行，一方面利用精餾促進反應進行，提高轉化率與選擇性，降低過程能耗，節(jié)省設備投資;另一方面通過反應強化精餾分離，有效利用反應熱、提高能量利用率，實現(xiàn)近沸或共沸體系的分離。由于反應與精餾在空間上相互獨立，因而呈現(xiàn)出更多的優(yōu)點：①能夠突破傳統(tǒng)反應精餾技術對于工況的限制（例如高壓反應與減壓精餾），拓寬應用范圍;②反應量可以自由調(diào)整，易于實現(xiàn)反應能力與分離能力的最佳匹配;③反應器與精餾塔可以獨立設計，催化劑裝填、更換方便，易于工程放大。

1 等效性分析

傳統(tǒng)反應精餾過程中，反應與精餾在塔板上同時進行，屬于同一空間內(nèi)的連續(xù)耦合，而對于精餾過程，化學反應從塔內(nèi)反應塔板轉移至塔外側反應器中進行，兩者處于不同空間位置，屬于離散集成。在集成方式具有顯著差異性的情況下，SRC過程與RD過程是否具有等效性，能否達到一致的強化效果，成為SRC過程應用首要關注的問題。對此，研究者們分別從可逆反應與連串反應兩個角度，對RD過程與SRC過程所能實現(xiàn)的強化效果，即轉化率與選擇性，以及兩種集成過程塔內(nèi)的溫度、組成分布進行了探究。Ouni等分別設計了甲基叔戊基醚（TAME）、異丁烯二聚的RD工藝以及SRC工藝，結果發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化側反應器操作參數(shù)，SRC可以達到與RD過程相一致的轉化率以及選擇性（TAME生產(chǎn)中，轉化率達到90%;異丁烯二聚中，轉化率達到99%，選擇性達到95%）。RD過程反應與分離的集成，實質是質量與能量的集成，而非局限于將兩者耦合在同一單元設備中進行操作，反應器與精餾塔離散集成的SRC過程依然可以達到與連續(xù)耦合的RD過程相一致的強化效果。

2 過程設計與優(yōu)化

2.1 穩(wěn)態(tài)模型與模擬

盡管精餾具有廣泛的應用前景，但在技術開發(fā)初期，需要建立嚴格的數(shù)學模型對集成過程進行可行性分析、設計優(yōu)化以及經(jīng)濟評估。精餾過程的穩(wěn)態(tài)模型可由兩部分構成：精餾塔模型以及反應器模型。兩者都有成熟的計算理論與方法，對于精餾塔模型，常規(guī)的平衡級模型、非平衡級模型以及非平衡池模型依舊適用;對于反應器模型，則可以根據(jù)反應體系，結合實際動力學模型與反應器類型（全混流反應器以及活塞流反應器等）進行描述。然而，由于精餾集成過程存在較多循環(huán)流股，且方程非線性程度高，模擬收斂較為困難。對此，有學者開始研究模型簡化方法以加速收斂，主要包括Murphree板效率改進模型以及獨立反應量改進模型。

2.2 優(yōu)化設計方法

為了充分發(fā)揮精餾集成過程的技術潛力，需要通過優(yōu)化使其反應能力與分離能力達到最佳匹配。精餾集成過程的待優(yōu)化參數(shù)包括精餾段塔板數(shù)、提餾段塔板數(shù)、反應器臺數(shù)、反應器間隔塔板數(shù)、反應體積等結構參數(shù)以及反應溫度與壓力、精餾壓力、進料位置、進料比、回流比等操作參數(shù)。其中，對于采用絕熱側反應器的精餾過程，精餾壓力會直接影響進入側反應器的反應液溫度，導致反應能力發(fā)生改變，因此精餾壓力的優(yōu)化尤為重要。另外，對于過量反應物進料以及多反應產(chǎn)物的精餾過程，往往需要通過循環(huán)過量反應物或副產(chǎn)物從而提高原料轉化率或目標產(chǎn)物選擇性，但過高的循環(huán)量會提高操作費用，因此需要通過優(yōu)化獲得最佳循環(huán)量。目前“背包式”反應精餾集成過程的優(yōu)化方法主要分為兩類：序貫優(yōu)化法以及混合整數(shù)非線性規(guī)劃法（MINLP）。

2.2.1 序貫優(yōu)化法

序貫優(yōu)化法具有操作簡單、實施方便等優(yōu)點，是目前使用最為廣泛的精餾優(yōu)化設計方法。但是隨著優(yōu)化變量的增加，該方法計算量會呈現(xiàn)指數(shù)級加大。對此，耦合Powell算法的新型序貫優(yōu)化方法。該方法中，將待優(yōu)化變量分為置于優(yōu)化外層的離散變量以及置于優(yōu)化內(nèi)層的連續(xù)變量，其中外層離散變量采用序貫優(yōu)化法進行迭代優(yōu)化，而內(nèi)層的連續(xù)變量則通過Powell算法進行直接優(yōu)化，能夠有效提高序貫優(yōu)化法優(yōu)化效率。

2.2.2 混合整數(shù)非線性規(guī)劃法（MINLP）

精餾集成過程的待優(yōu)化變量包含連續(xù)變量以及離散變量，并且系統(tǒng)中反應動力學與氣液相平衡（精餾）的耦合表現(xiàn)出強非線性關系，因此精餾集成過程的優(yōu)化問題實際是一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，優(yōu)化目標為考慮設備投資與操作費用權衡的年度總成本。但是，側反應器與精餾塔不同的集成方式會呈現(xiàn)多種結構方案，導致流程具有不確定性，優(yōu)化模型的建立與求解十分困難。目前為止，有關這方面的研究較少，而現(xiàn)有的優(yōu)化求解算法，從特性上可以分為確定性算法以及隨機算法。隨機算法是近年來新發(fā)展起來的一種優(yōu)化方法，具有高效性、魯棒性等優(yōu)點。由于算法只需提供目標函數(shù)值，對于一些未知結構（黑箱模型）的優(yōu)化問題也同樣適用。

3 動態(tài)模擬與控制

3.1 動態(tài)模擬

動態(tài)模擬能夠真實反映裝置生產(chǎn)情況，在擾動響應分析、裝置開停車操作優(yōu)化、控制策略設計以及間歇、半間歇工藝設計等方面具有重要指導意義?；贖YSYS平臺建立了甲苯氯化“背包式”反應精餾的動態(tài)模擬系統(tǒng)，探究了進料配比失調(diào)、回流量過低以及塔釜加熱量不足等故障擾動下的動態(tài)特性，獲得了有效的故障響應數(shù)據(jù)，能夠為工業(yè)上集成過程故障診斷提供依據(jù)。間歇精餾集成過程的動態(tài)特性以及參數(shù)影響規(guī)律，表明相比大多傳統(tǒng)間歇反應精餾僅僅配置一臺反應器，配置多臺側反應器能夠更好地實現(xiàn)反應能力與分離能力的最佳匹配。

3.2 控制策略與結構

目前，傳統(tǒng)反應精餾過程的控制理論與策略研究每年呈現(xiàn)穩(wěn)步增長，研究領域也從傳統(tǒng)的比例-積分-微分控制法（PID）逐步發(fā)展到先進的模型預測控制法（MPC），這些研究也給精餾控制策略的設計帶來了更多的啟示。針對理想兩產(chǎn)品（兩種反應物相對揮發(fā)度處于兩種產(chǎn)物之間）反應精餾工藝，通過組合不同的控制變量和操作變量，提出PID控制結構，并進一步對比分析了不同控制結構下的閉環(huán)控制效果，總結了各個控制結構的優(yōu)缺點與適用場合。在進料擾動下，恒定加熱量不能有效控制產(chǎn)品質量，而控制塔釜組成與控制塔板溫度都能實現(xiàn)良好控制，保證產(chǎn)品質量，但前者引起塔釜溫度波動更小。在精餾生產(chǎn)醋酸甲酯工藝中采用以產(chǎn)品組成調(diào)節(jié)變比值的控制策略，同樣可以實現(xiàn)良好的控制效果。

4 結語

精餾集成技術是傳統(tǒng)塔內(nèi)耦合反應精餾技術的進一步拓展，由于反應與精餾處于不同空間位置，能夠突破傳統(tǒng)反應精餾在工況、設備等方面的限制，擁有更廣泛的應用前景。但是，目前精餾技術的開發(fā)處于初級階段，未來仍需要進一步加強精餾集成技術的研究。精餾集成過程是一種新型的過程強化技術，有效彌補了傳統(tǒng)反應精餾的不足。本文分別從等效性分析、過程設計與優(yōu)化、動態(tài)模擬與控制以及應用領域四個方面對精餾集成過程進行了評述，并總結了今后的主要發(fā)展方向。相信隨著精餾技術研究的不斷深入，其必將在化工過程強化以及節(jié)能減排領域發(fā)揮更大作用。

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