单环流反应隔离壁蒸馏塔的设计与控制

摘要

反应蒸馏是一种非常有效的过程强化技术，所谓反应蒸馏就是将反应操作与分离操作融合在同一个装置中。一方面，很大程度上减少了工艺流程中固定的设备投资费用。另一方面，提高了反应物的转化率以及很大程度上抑制了中间物的产生。正因为反应蒸馏有如此众多的优点，才促使它有机会成为过程强化中值得人们重视的一个研究方向。
　　隔离壁蒸馏塔采用将一块垂直的隔板添加在普通的蒸馏塔中间，将其分成隔板上边的公共精馏段、隔板下边的公共提馏段、隔板左边的进料段以及隔板右边的中间采出段共四个部分。从本质上来看，它实际是一个结构比较特殊的完全热耦合蒸馏塔，相当于将完全热耦合蒸馏塔的主副塔放置在了一个塔中。如果忽略隔板的传热效果，在热力学上可以将两者进行等价，由于这只是理想状态下的假说，在实际中，这两者不可以绝对等价。在研究中我们发现，适当对隔壁塔进行热量耦合可以将反应放出的热量回收利用，因而可以降低整个系统的能耗。综合反应蒸馏塔与隔离壁蒸馏塔的众多优点，如果将两者结合到一起，会进一步提高节能效果。
　　本文提出一种单环流反应隔离壁蒸馏塔结构(RDWC-SER)，隔离壁能够避免产物过多地从侧线采出，单环流将未反应物引回反应段继续参与反应。基于合成乙酸甲酯的酯化反应，以年总投资(TAC)为目标函数对RDWC-SER的公共精馏段塔板数、公共提馏段塔板数、反应段塔板数、预分馏塔精馏段塔板数、预分馏塔提馏段塔板数、HAc的进料位置、MeOH的进料位置、环流进料位置、环流采出位置、环流流量、气相分离比以及液相分离比等进行优化，得到RDWC-SER的最优结构，并且与外部环流反应蒸馏塔进行对比。此外基于RDWC-SER的稳态结构，对其采用了双温度控制策略，研究在进料流量扰动以及进料组分扰动下的动态特性。
　　研究结果表明，相比于外部环流反应蒸馏塔，RDWC-SER在TAC上减少了7.86％，说明RDWC-SER具有更好的节能效果，体现出了反应蒸馏塔与隔离壁蒸馏塔的累加优势。对于RDWC-SER结构，双温度控制策略具有很好的控制效果。其中，对进料流量增大10％扰动的控制效果优于对进料流量减小10％扰动的控制效果;对MeOH组分扰动的控制效果优于对HAc组分扰动的控制效果。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的意义与目的

1．3 论文结构

第二章 反应蒸馏技术与隔离壁技术的研究

2．1 反应蒸馏与隔离壁蒸馏的发展简史

2．2 反应蒸馏与隔离壁蒸馏的研究现状

2．3 反应蒸馏塔的建模

2．3．1 反应蒸馏塔的稳态模型

2．3．2 反应蒸馏塔的动态模型

2．4 隔离壁蒸馏塔的结构

2．5 反应蒸馏塔与隔壁塔的稳态设计

2．6 反应蒸馏塔与隔壁塔的动态控制

2．7 反应蒸馏塔的应用

2．8 本章小结

第三章 RDWC-SER的原理及模型化研究

3．1 反应体系分类

3．2 RDWC-SER的原理

3．3 RDWC-SER的模型化

3．3．1 RDWC-SER稳态数学模型

3．3．2 RDWC-SER动态数学模型

3．4 本章小结

第四章 基于合成乙酸甲酯RDWC-SER的综合与设计

4．1 乙酸甲酯反应概述

4．2 RDWC-SER稳态模型的建立

4．2．1 设计方法

4．2．2 设计指标

4．3．1 各设计变量优化流程

4．3．2 各设计变量与TAC关系

4．4 RDWC-SER的最终结构

4．5 RDWC-SER与RDC-ERBR经济性能的对比

4．6 本章小结

第五章 基于合成乙酸甲酯RDWC-SER的动态控制

5．2 RDWC-SER控制系统的设计

5．2．1 灵敏板的选取

5．2．2 RGA分析

5．2．3 控制回路的设计

5．3 RDWC-SER控制系统的动态响应

5．3．1 进料流量扰动分析

5．3．2 进料组分扰动分析

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

研究成果及发表的学术论文

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