过程强化型反应蒸馏塔的设计方法

摘要

本发明是过程强化型反应蒸馏塔的设计方法，属于化工过程的设计与制造，涉及提高反应蒸馏塔效率的方法。具体为针对反应蒸馏塔中反应操作和蒸馏操作之间的相互耦合的有效处理问题，提供了过程强化型反应蒸馏塔的设计方法，该方法根据反应热与反应混合物的汽化潜热的比率的三种情形，通过渐进性结构搜索方法和非线性优化方法确定相应强化过程来促进反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合与内部能量耦合，最大幅度地降低系统的设备投资成本和操作费用，具有很高的热力学效率。可应用于化工过程的综合与设计、能源的有效利用以及环境的保护。

说明书

技术领域

本发明涉及反应蒸馏塔的综合与设计技术，属于化工过程的设计与制造。

背景技术

反应蒸馏塔已经在化工过程中得到了一定程度的应用。例如已经成功地用在了甲基叔丁基醚(methyl acetate and methyl tertiary butyl ether：MTBE)和醋酸甲酯的生产过程中，既大幅度地提高了生产过程的操作效率，又显著地降低了设备的投资成本。然而，对于系统的综合与设计，由于反应蒸馏塔包含了反应操作和蒸馏操作，怎样合理且有效地处理好两者的相互耦合问题却一直没能得到很好地解决。这一瓶颈问题的存在不但阻碍了反应蒸馏塔优越性的发挥，而且大大地限制了它的应用范围。目前，反应蒸馏塔的综合与设计方法可以概括为两种。

1.经验设计法。将反应段简单地安置于精馏段和提馏段之间，然后依据某个经济指标(例如全部年消耗费用等)进行系统设计。由于不能充分挖掘反应操作与蒸馏操作的耦合作用，不但造成了操作能量的浪费和提升了设备投资成本，而且恶化了系统的操作弹性、动态品质和可控性。

2.非线性混合整数规划(Mixed-integer nonlinear programming：MINLP)方法。它也是依据某个经济指标(例如全部年消耗费用等)进行系统的综合与设计。虽然比经验设计法能更有效地挖掘反应操作与蒸馏操作的耦合作用，但由于在事前需要构造系统的超结构，这成为一个非常棘手的难题。对于非线性优化问题，例如非凸搜索区域或非线性约束方程等，其全局最优解也难以获得。因此，这种方法的应用前景也受到了强烈的限制。

发明内容

针对传统反应蒸馏塔的设计难以有效地处理其中反应操作和蒸馏操作的相互耦合问题，本发明提供一种新型的过程强化型反应蒸馏塔的设计方法，它利用四种过程强化策略促进反应蒸馏塔中反应操作和蒸馏操作之间的内部物质耦合和/或内部能量耦合，既回避了繁杂的数学处理，又充分挖掘了系统的节能潜力，保证了反应蒸馏塔的塔器具有很高的热力学效率。

为达到上述目的，本发明提供了一种过程强化型反应蒸馏塔的设计方法，其特征在于：根据反应热与反应混合物的汽化热的比率H_R/ΔH_V，其中ΔH_V为气化潜热、ΔH_R为反应热，将过程强化型反应蒸馏塔的设计方法分为三种情形，有针对性地利用四种过程强化策略来促进反应操作和蒸馏操作之间的内部物质耦合和/或内部能量耦合。这四种过程强化策略是(1)将反应段向精馏段内扩展；(2)将反应段向提馏段内扩展；(3)将进料位置向反应段内作有效移动；(4)将催化剂在反应段中进行有效的分布。

情形一：对于含有强热效应(ΔH_R/ΔH_V＞1.0)的反应蒸馏塔，分为两种情况：

1)对于吸热反应，(1)将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(2)将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(3)保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。

2)对于放热反应，(1)将反应段向提馏段内扩展，扩展范围可从提馏段的第一块塔板至塔的底端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(2)将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(3)保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与提馏段的重叠部分进行重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。

情形二：对于含有中等热效应(0.05≤ΔH_R/ΔH_V≤1.0)的反应蒸馏塔，(1)将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(2)将反应段向提馏段内扩展，扩展范围可从提馏段的第一块塔板至塔的底端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(3)将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(4)保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与提馏段以及反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。

情形三：对于含有少量或完全不含有热效应(0≤ΔH_R/ΔH_V＜0.05)的反应蒸馏塔，(1)将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(2)将反应段向提馏段内扩展，扩展范围可从提馏段的第一块塔板至塔的底端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(3)将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(4)保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与提馏段以及反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。

当反应蒸馏塔含有强热效应(ΔH_R/ΔH_V＞1.0)时，过程强化只需要通过反应操作和蒸馏操作的内部能量耦合来实现，此时反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合作用可以忽略。当反应蒸馏塔含有中等热效应(0.05≤ΔH_R/ΔH_V≤1.0)时，过程强化不仅需要通过反应操作和蒸馏操作的内部能量耦合，还要通过反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合来实现，这就需要进行二者的相互折中。当反应蒸馏塔含有少量或完全不含有热效应(0≤ΔH_R/ΔH_V＜0.05)时，过程强化只需要通过反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合来实现，此时反应操作和蒸馏操作的内部能量耦合作用可以忽略。对于不同类型的反应蒸馏塔，有针对性地利用四种过程强化策略来促进反应蒸馏塔中反应操作和蒸馏操作之间的内部物质耦合和/或内部能量耦合，这四种过程强化策略是(1)将反应段向精馏段内扩展，扩展的范围可以从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端；(2)将反应段向提馏段内扩展，扩展的范围可以从提馏段的第一块塔板至塔的底端；(3)将进料位置向反应段内作有效移动，移动的范围可以从反应段的一端移至反应段的另一端；(4)保持催化剂的总量不变，而将催化剂在反应段与提馏段以及反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下的有益效果。

(1)利用本发明，由于最大限度地强化了反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合与内部能量耦合的作用，因而能够大大提高反应蒸馏塔的热力学效率。

(2)利用本发明，由于最大限度地强化了反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合与内部能量耦合的作用，因而能够提高反应的转化率和选择性。

(3)利用本发明，由于最大限度地强化了反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合与内部能量耦合的作用，因而能够进一步降低反应蒸馏塔的设备投资成本。

(4)利用本发明，由于内部物质耦合与内部能量耦合作用的强化协调了反应操作和蒸馏操作的相互作用，因而能够改善反应蒸馏塔的操作弹性、动态特性和可控性。

附图说明

图1为本发明提供的反应蒸馏塔的过程强化的综合与设计步骤；

图2为传统反应蒸馏塔的塔器(情形I)；

图3为本发明实施后得到的过程强化型反应蒸馏塔的塔器(情形I)；

图4为传统反应蒸馏塔的塔器(情形II)；

图5为本发明实施后得到的过程强化型反应蒸馏塔的塔器(情形II)；

图6为传统反应蒸馏塔的塔器(情形III)；

图7为本发明实施后得到的过程强化型反应蒸馏塔的塔器(情形III)；

图8为传统反应蒸馏塔与过程强化型反应蒸馏塔克服处理量扰动时的对比示意图(情形I)；

图9为传统MTBE分解反应蒸馏塔的塔器；

图10为本发明实施后得到的过程强化型MTBE分解反应蒸馏塔的塔器；

图11为传统MTBE分解反应蒸馏塔与过程强化型MTBE分解反应蒸馏塔设定值波动时的动态响应对比示意图；

图12为传统乙二醇合成反应蒸馏塔的塔器；

图13为本发明实施后得到的过程强化型乙二醇合成反应蒸馏塔的塔器；

图14为传统乙二醇合成反应蒸馏塔与过程强化型乙二醇合成反应蒸馏塔克服处理量扰动时的动态响应对比示意图。

图1中E_I为采用方法I所得的最小能量消耗；E_II为采用方法II所得的最小能量消耗；E_III为采用方法III的最小能量消耗；E_M为综合采用方法I、II和III所得的最小能量消耗；

图2、3、4、5、6、7中F_A为物料A的进料流率；F_B为物料B的进料流率；Q_CON为冷凝器的负荷；Q_REB为再沸器的负荷；RR为回流量；Holdup为催化剂量；d为塔顶出料量；x_C为组分C的摩尔分数；b为塔底出料量x_D为组分D的摩尔分数；

图9、10中F_MTBE为物料MTBE的进料流率；Q_CON为冷凝器的负荷；Q_REB为再沸器的负荷；RR为回流量；d为塔顶出料量；x_IBUT为组分IBUT的摩尔分数；b为塔底出料量；x_MEOH为组分MEOH的摩尔分数；

图12、13中F_H2O为物料H₂O的进料流率；F_EO为物料EO的进料流率；L₁为塔顶液体回流量；V_n为塔底蒸汽回流量；B为塔底出料量；x_EO为组分EO的摩尔分数；x_W为组分H₂O的摩尔分数x_EG为组分EG的摩尔分数；x_DEG为组分DEG的摩尔分数；

具体实施方式

首先，应用传统综合与设计方法给出一个反应段严格位于精馏段与提馏段之间的传统反应蒸馏塔，其中反应物进料均置于反应段的两端。然后根据图1所示的过程强化型综合与设计步骤，有针对性地运用本发明所提出的四种过程强化策略(1)将反应段向精馏段内扩展；(2)将反应段向提馏段内扩展；(3)将进料位置向反应段内作有效移动；(4)将催化剂在反应段中进行有效的分布，强化反应操作与蒸馏操作的内部物质耦合与内部能量耦合的作用。由此得到的反应蒸馏塔的塔器将比传统反应蒸馏塔具有更高的热力学效率、转化率和选择性，更低的设备投资成本以及改善的操作弹性、动态特性和可控性。图1中的方法I、方法II、和方法III各自对应下述三种方法中的一种，但其对应关系在设计当中随能量消耗多少的顺序不同做一定的调整：(1)将反应段向精馏段内扩展；(2)将反应段向提馏段内扩展；(3)将进料位置向反应段内作有效移动。针对不同的反应情形，按照图1所示的步骤运用方法I、方法II、和方法III，能够有效地确定提高反应蒸馏塔热力学效率的设计方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合叁个具体实施例子，并参照附图2-14，对本发明作进一步的详细说明。

例1：假设在一个反应蒸馏塔中发生如下理想的可逆非均相反应。

其中，A和B是反应物，C和D是反应产物并分别从塔顶和塔底抽出。假定该反应混合物的相对挥发度为α_A∶α_B∶α_C∶α_D＝4∶2∶8∶1，气化潜热为ΔH_V＝29053.7kJ kmol^-1。对于上述可逆反应的反应热，考虑三种不同的情况，即：情形I：ΔH_R＝41840kJ kmol^-1；情形II：ΔH_R＝14527kJ kmol^-1；和情形III：ΔH_R＝0kJ kmol^-1。

情形I：由于ΔH_R/ΔH_V＝1.44＞1.0，故过程强化只需要借助于反应操作与蒸馏操作的内部能量耦合来实现。通过三种过程强化策略进行反应蒸馏塔的开发。它们是：(i)将反应段向提馏段内扩展；(ii)将进料位置向反应段内作有效移动；(iii)将催化剂在反应段中进行有效的分布。按照图1所示的系统综合与设计步骤，并从图2所示的传统设计出发可以得到图3所示的过程强化型设计。比较这两个设计可以发现，过程强化型反应蒸馏塔的：(i)反应段向提馏段内扩展了3块塔板，这是通过渐进性结构搜索方法确定的。其具体原理是首先向提馏段内扩展1块塔板并检验系统的能耗。其次再向提馏段内扩展2块塔板并检验系统的能耗，直至搜索到最小能耗所对应的扩展塔板数目；(ii)物料A的进料位置向反应段内移动了1块塔板，这也是通过渐进性结构搜索方法确定的。其具体原理是首先将物料A的进料位置向反应段内移动1块塔板并检验系统的能耗。其次再将物料A的进料位置向反应段内移动2块塔板并检验系统的能耗，直至搜索到最小能耗所对应的物料A的进料位置；(iii)催化剂在反应段中进行了有效的分布。具体为物料A的进料塔板将反应段分割为两个部分，每个部分具有不同的催化剂浓度，但催化剂的总量却保持不变。它可以通过有约束的非线性优化方法，如最陡梯度法等，并以上述两个部分的催化剂浓度为决策变量搜索系统的最小能耗而得以实现。经过此种设计，过程强化型反应蒸馏塔的再沸器的负荷降低了13.08％。由于冷凝器和再沸器传热面积的减少以及塔径减小等因素的影响，设备投资成本也会显著减少。

情形II：由于0.05＜ΔH_R/ΔH_V＝0.72＜1.0，故过程强化不仅需要通过反应操作与蒸馏操作的内部能量耦合，还要通过反应操作与蒸馏操作的内部物质耦合来实现，这就需要进行二者的相互折中。在系统的综合与设计中可以通过四种过程强化策略进行反应蒸馏塔的开发。它们是：(i)将反应段向精馏段内扩展；(ii)将反应段向提馏段内扩展；(iii)将进料位置向反应段内作有效移动；(iv)将催化剂在反应段中进行有效的分布。按照图1所示的系统综合与设计步骤，并从图4所示的传统设计出发可以得到如图5所示的过程强化型设计。比较这两个反应蒸馏塔不难发现，过程强化型反应蒸馏塔的：(i)反应段向精馏段内扩展了1块塔板，这可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(ii)反应段向提馏段内扩展了3块塔板，这也可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(iii)物料A和物料B的进料位置分别向反应段内移动了1块和2块塔板，这也可以分别通过上述渐进性结构搜索方法确定；(iv)催化剂在反应段中进行了有效的分布，这可以通过上述有约束的非线性优化方法确定。具体为两种物料的进料塔板将反应段分割为三个部分，各个部分具有不同的催化剂浓度，但催化剂的总量却保持不变。经过此种设计，过程强化型反应蒸馏塔的再沸器的负荷降低了15.35％。由于冷凝器和再沸器传热面积的减少以及塔径的减小等因素的影响，设备投资成本也会显著减少。

情形III：由于0＝ΔH_R/ΔH_V＜0.05，过程强化只需要借助于反应操作与蒸馏操作的内部物质耦合来实现，因为此时反应操作与蒸馏操作的内部能量耦合作用可以忽略。在系统的综合与设计中可以通过四种过程强化策略进行反应蒸馏塔的开发。它们是：(i)将反应段向精馏段内扩展；(ii)将反应段向提馏段内扩展；(iii)将进料位置向反应段内作有效移动；(iv)将催化剂在反应段中进行有效的分布。按照图1所示的系统综合与设计步骤，并从图6所示的传统设计出发可以得到如图7所示的过程强化型设计。比较这两个反应蒸馏塔不难发现，过程强化型反应蒸馏塔的：(i)反应段向精馏段内扩展了1块塔板，这可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(ii)反应段向提馏段内扩展了3块塔板，这也可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(iii)物料B的进料位置向反应段内移动了3块塔板，这也可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(iv)催化剂在反应段中进行有效的分布，这可以通过上述有约束的非线性优化方法确定。具体为两种物料的进料塔板将反应段分割为三个部分，各个部分具有不同的催化剂浓度，但催化剂的总量却基本不变。经过此种设计，过程强化型反应蒸馏塔的再沸器的负荷降低了13.89％。由于冷凝器和再沸器传热面积的减少以及塔径的减小等因素的影响，设备投资成本也会显著减少。

图8给出了情形I中传统反应蒸馏塔与过程强化型反应蒸馏塔克服处理量扰动时的对比示意图。可以看出，过程强化型反应蒸馏塔的塔器也使得系统的操作弹性、动态特性和可控性得到了一定程度的改善。

例2：MTBE的分解反应是一个可逆强吸热反应，它可以在一个反应蒸馏塔中进行。

由于ΔH_R/ΔH_V＞1.0，因此过程强化仅需要借助于反应操作与蒸馏操作的内部能量耦合来实现。在系统的综合与设计中可以通过以下三种方式实现。它们是：(i)将反应段向精馏段内扩展；(ii)将进料位置向反应段内作有效移动；(iii)将催化剂在反应段中进行有效的分布。按照图1所示的系统综合与设计步骤，并从图9所示的传统设计出发可以得到如图10所示的过程强化型设计。比较这两个反应蒸馏塔不难发现，过程强化型反应蒸馏塔的：(i)反应段向精馏段内扩展了2块塔板，这可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(ii)物料MTBE的进料位置向反应段内移动了7块塔板，这也可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(iii)催化剂在反应段中进行了有效的分布，但催化剂的总量保持不变，这可以通过上述有约束的非线性优化方法确定。经过此种设计，过程强化型反应蒸馏塔的再沸器的负荷降低了94.46％。由于冷凝器和再沸器传热面积的减少以及塔径的减小等因素的影响，设备投资成本也会显著减少。图11给出了传统反应蒸馏塔与过程强化型反应蒸馏塔克服外界扰动时的动态响应对比示意图。可以看出，过程强化型设计也使得系统的操作弹性、动态特性和可控性产生了一定程度的改善。

例3：乙二醇的合成反应是一个不可逆强放热反应，它也可以在一个反应蒸馏塔中进行。

C₂H₄O(EO)+H₂O(W)→C₂H₆O₂(EG)(3)

C₂H₄O(EO)+C₂H₆O₂(EG)→C₄H₁₀O₃(DEG)(4)

由于ΔH_R/ΔH_V＞1.0，因此过程强化仅需要借助于反应操作与蒸馏操作的内部能量耦合来实现。在系统的综合与设计中可以通过以下三种方式实现。它们是：(i)将反应段向提馏段内扩展；(ii)将进料位置向反应段内作有效移动；(iii)将催化剂在反应段中进行有效的分布。按照图1所示的系统综合与设计步骤，并从图12所示的传统设计出发可以得到如图13所示的过程强化型反应蒸馏塔的塔器。比较这两个反应蒸馏塔不难发现，过程强化型反应蒸馏塔的：(i)反应段向提馏段内扩展了4块塔板，这可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(ii)物料EO的进料位置向反应段内移动了2块塔板，这也可以通过上述渐进性结构搜索方法确定；(iii)催化剂在反应段中进行了有效的分布，而催化剂的总量保持不变，这可以通过上述有约束的非线性优化方法确定。经过此种设计，过程强化型反应蒸馏塔的再沸器的负荷降低了10.43％。由于冷凝器和再沸器传热面积的减少以及塔径的减小等因素的影响，设备投资成本也会显著减少。图14给出了传统反应蒸馏塔与过程强化型反应蒸馏塔克服处理量扰动时的动态响应对比示意图。可以看出，过程强化型反应蒸馏塔的塔器也使得系统的操作弹性、动态特性和可控性产生了一定程度的改善。

通过以上所述的三个具体实施例子，对本发明的目的、技术方案和有益效果作了进一步的说明。应当指出的是，以上所述仅为本发明的具体实施例子而已，它们并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。