考虑选择性目标的乙二醇乙醚反应精馏塔设计与优化

摘要

反应精馏是一种典型的化工过程强化技术，它将化学反应与分离操作耦合于一个反应精馏塔内，同时也是过程系统工程领域理论研究和技术开发的热点之一。该技术既适用于可逆反应体系，也适用于不可逆反应体系。针对不可逆连串竞争反应体系，反应精馏可利用分离作用及时将目标产物从反应体系内分离，以减小其继续反应的几率，从而提高目标产物选择性。针对产物选择性问题，大多数研究人员主要专注于单一产物选择性问题，缺少对两种中间产物选择性的研究。本文以环氧乙烷与乙醇反应体系为例，研究分别以中间产物乙二醇单乙醚(EGME)和二乙二醇单乙醚(DEGME)为目标产物的反应精馏塔设计和优化问题，尝试通过变换操作参数，利用单一反应精馏塔生产以上两种目标产物。同时，通过分析（火用）损失分布，优化反应精馏塔反应段持液量分布，从而达到减小系统能耗目的。本文旨在将模型计算与过程模拟相结合，寻找较优的反应精馏塔各操作参数，提高反应物转化率和目标产物选择性，降低系统能耗。同时，为连续乙氧基化反应精馏工艺的开发、设计和试验提供理论支持和操作指导。
　　一、考虑选择性目标对反应精馏塔进行模拟和分析。
　　首先，根据反应方程式化学计量关系，利用黑箱模型分析法研究反应体系内进料醇烷比、反应转化率和目标产物选择性间的关系。规定反应物环氧乙烷转化率为100％，目标产物乙二醇单乙醚(EGME)和二乙二醇单乙醚(DEGME)分别达到选择性为90％的要求，得出进料醇烷比取值范围。结果表明，为保证EGME满足选择性要求，醇烷比选择1∶1;为保证DEGME满足选择性要求，醇烷比选择1∶2。其次，针对两种目标产物的生产工艺，分别研究操作压力、塔板数、进料位置、塔底热负荷和醇烷比等参数对反应精馏塔目标产物选择性的影响，获得较优操作参数。结果表明，针对EGME和DEGME选择性要求，塔底热负荷分别为250kW和500kW。此外，反应精馏塔操作压力均为4atm，塔板总数为10，反应段板数为5，乙醇在第2块板进料，环氧乙烷在第6块板进料。
　　二、基于（火用）损失优化反应精馏塔持液量分布。
　　首先，针对两种目标产物生产工艺中EO进料位置处反应速率过大、有效能损失过大问题，研究反应精馏塔内反应段塔板持液量分布问题。将（火用）损失计算方法和过程模拟技术相结合，将热力学中（火用）损失分布与对应的持液量分布相关联，以塔底热负荷最小为目标，实现反应精馏塔持液量优化设计。结果表明，物理（火用）损失远小于化学（火用）损失，占总（火用）损失的5％，因此可以将总（火用）损失与持液量分布相关联，以降低系统能耗。其次，针对EGME生产工艺，优化后塔底热负荷可降低41％，针对DEGME生产工艺可节约52.7％，节能效果显著。此外，通过模拟发现，可以使用一个反应精馏塔生产两种目标产物，实现弹性设计任务。
　　本文建立的方法可为针对环氧乙烷和乙醇反应体系的连续反应精馏试验和生产提供理论指导和模型支持，同时为反应精馏塔反应段持液量优化提供方法借鉴，对降低系统能耗有重要意义。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 反应精馏技术及进展

1．1．1 反应精馏概念

1．1．2 反应精馏技术优势

1．1．3 反应精馏技术研究进展

1．1．4 考虑选择性目标的反应精馏研究进展

1．1．5 本课题组反应精馏主要研究进展

1．2 热力学分析研究方法

1．2．1 化工过程热力学分析方法

1．2．2 (火用)概念起源与发展

1．2．3 (火用)的性质

1．2．4 (火用)分析法的应用进展

1．3 本文研究内容

2 考虑选择性目标的反应精馏塔模拟与分析

2．1 反应体系及反应动力学

2．1．1 EO与乙醇化学反应体系

2．1．2 化学反应动力学

2．2 进料醇烷比、原料转化率和选择性的关系分析

2．3 反应精馏塔设计参数的设定

2．3．1 环氧乙烷转化率

2．3．2 目标产物选择性

2．3．3 反应精馏塔的操作压力

2．4 反应精馏塔操作参数优化

2．4．1 操作压力的影响

2．4．2 塔板数的影响

2．4．3 进料位置的影响

2．4．4 塔底热负荷的影响

2．4．5 醇烷比的影响

2．5 反应精馏塔模拟结果

2．5．1 反应精馏塔参数结果

2．5．2 反应精馏塔参数分布

2．6 本章小结

3 基于(火用)损失反应精馏塔持液量分布优化

3．1 (火用)的定义和(火用损失)

3．1．1 (火用)的定义

3．1．2 (火用)损失

3．2 (火用)的计算

3．2．1 动能(火用)

3．2．2 位能(火用)

3．2．3 物理(火用)

3．2．4 化学(火用)

3．2．5 反应精馏塔中(火用)的计算

3．3 基于(火用)损失持液量优化

3．3．1 优化方法和思路

3．3．2 等持液量分布设计

3．3．3 反应精馏塔优化

3．3．4 反应精馏塔弹性设计

3．4 本章小结

4 结论

参考文献

致谢

个人简历