双反应段蒸馏塔的动态特性与控制：进料分流的影响

摘要

反应蒸馏通过将反应操作和分离操作集成在一个处理单元中，使得系统具有更低的能耗，降低了经济成本，是一种极具潜力的化工过程强化技术。然而，常规的单反应段蒸馏塔并不总是适用于所有的反应物系。当产物为次重和次轻组分而反应物为最重和最轻组分时，单反应段蒸馏塔的分离效果反而不如传统的化工流程。针对这种具有最不利相对挥发度排序的反应物系，一种方案是采用常规的双反应段蒸馏塔(Reactive distillation column with double reactive sections，RDC-DRS)。RDC-DRS是将两个反应段分别设置于塔顶和塔底而产物由侧线采出，这样的过程配置有利于加强物质耦合，使系统获得比单反应段蒸馏塔更好的稳态性能。进一步，可以在RDC-DRS的基础上引入进料分流继续提升系统的稳态性能，也就是采用进料分流双反应段蒸馏塔(Reactive distillation column with double reactive sections and feed splitting，RDC-DRSFS)。虽然进料分流过程强化技术对双反应段蒸馏塔的稳态性能是有利的，但是这种技术对系统动态特性和控制的影响仍然是未知的，而这恰恰是进料分流是否可行的关键性问题。
　　本文详细研究了RDC-DRS和RDC-DRSFS这两种双反应段蒸馏塔的动态特性和控制，尤其关注进料分流对系统的影响。由于RDC-DRS具有单股侧线出料的过程配置，以及处于全回流和全回热的工作模式，系统调节通道（再沸器热负荷一侧线产物组分浓度）的开环响应会表现出严重的欠阻尼特性，而在扰动通道（进料流量一侧线产物组分浓度）的开环正负响应具有严重的不对称性。这些不利的动态特性将会恶化RDC-DRS的可控性。相比于RDC-DRS，由于RDC-DRSFS引入了进料分流，这种欠阻尼和不对称性在一定程度上受到了抑制，系统的动态特性和可控性得到改善。
　　本文分别采用理想四元可逆反应物系、甲醇和乳酸的酯化反应物系进行仿真研究，验证了进料分流对双反应段蒸馏塔动态特性和控制的影响。在相同的控制方案下，RDC-DRSFS的控制效果要优于RDC-DRS。本文的研究揭示了进料分流对双反应段蒸馏塔不仅是一种优化稳态性能的过程强化技术，而且也是改善系统动态特性和可控性的一种有效手段。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的目的及意义

1．3 论文结构

第二章 反应蒸馏过程研究概述

2．1 反应蒸馏的基本原理

2．2 反应蒸馏技术的发展简史

2．3 反应蒸馏过程的研究现状

2．3．1 反应蒸馏过程的稳态设计

2．3．2 反应蒸馏过程的动态控制

2．4 本章小结

第三章 双反应段蒸馏塔的动态特性及进料分流的影响

3．1 双反应段蒸馏塔动态特性的分析

3．2 进料分流的影响

3．3 双反应段蒸馏塔的模型化

3．3．1 稳态模型

3．3．2 动态模型

3．4 本章小结

第四章 理想四元可逆反应物系的反应蒸馏过程

4．1 过程描述

4．2 开环响应分析

4．3 控制系统设计及闭环响应分析

4．4 本章小结

第五章 甲醇和乳酸酯化反应物系的反应蒸馏过程

5．1 过程描述

5．2 开环响应分析

5．3 控制系统设计及闭环响应分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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