淺述反應精餾塔的優點及設計

朱騰騰 李超

摘 要：反應精餾塔做為化學工藝的一般過程可以分為以下三個部分：原料提純、化學反應以及產物精制，原料提純以及產品精制一般涉及分離工程學科的內容，盡管有化學吸附等有化學過程存在，但原料的提純和精制過程大都屬于相態變化的操作，而反應部分則主要涉及催化以及反應工程學科。

關鍵詞：反應精餾塔，優點，設計

一、反應精餾塔簡介

如果將化學反應以及精餾過程合二為一，即在一個設備中同時進行化學反應以及精餾過程，這樣便產生了一個新的概念——反應精餾。

反應精餾（Reactive distillation process）是化學反應和分離在同一精餾設備中完成的過程。目前有皂化、酯化、醚化等多種生產過程實現了反應精餾的集成化操作。這種操作既可以對難以用普通精餾過程分離的系統，通過添加某種組分，使之與被分離組分發生化學反應，從而實現混合物體系的分離；又可使反應混合體系中的某種組分不斷從塔中分離出來，改變系統的相平衡和化學平衡，使之反應繼續進行，提高轉化率。

（一）反應精餾塔的優點

反應精餾過程可以縮短生產流程、減少成本投資；對于多數放熱反應還可以利用反應熱供分離所需，降低所需能耗；同時作為一種新型分離技術，還可用于某些特殊精餾。因此，研究反應精餾過程的優化設計具有重要的理論意義和實用價值。

（二）反應精餾塔過程設計

Backhaus在1921年提出有關反應精餾的思想。由于在精餾塔中反應的分離之間存在許多影響因素，即使板數、傳熱、速率、進料位置、停留時間、催化劑、副產物濃度以及反應物進料配比等參數的很小變化，都可能對過程產生很大影響，所以對該集成過程的研究要困難得多。因此，早期在反應精餾領域的研究一直以特定體系的數學模擬和實驗探索為主。

當生產過程的反應和分離條件與要求確定后，進行化學反應和精餾過程集成化設計的目的是為了確定過程的可行性，合理的設備結構設計參數。要更好地發揮反應精餾過程的優點，從技術上考慮，反應精餾設備的選型，工藝流程和關鍵設計參數的選定起著十分關鍵的作用。目前提出的設計方法主要有：

1、直觀法。直觀推斷法是基于反應精餾系統的實際經驗和物理化學知識提出的一種結構綜合的決策規則。

2、混合整數非線性規劃法。該法是通過混合整數非線性規劃對反應精餾設計進行優化研究的方法。其優點在于可提供模型的系統結構并進行同時優化，但必須是事先給出各種可能的組合。

3、數學模擬法。數學模擬法是在精餾過程模擬的數學模型中引入化學反應平衡項，并假定塔的操作參數已知，對大型非線性方程進行求解，得出塔內溫度、流量、轉化率等分布參數。這樣得到的結果雖比較準確可靠，但計算量大，特別是要憑經驗確定塔的初值和操作參數。

4、圖解設計法。圖解設計法根據反應和精餾過程的特點，結合實驗數據和公式繪制算圖用于反應精餾過程的設計，可簡化某些繁瑣的計算過程，為數學模擬提供較為準確的初值，并可為不便于數學表達的復雜問題提供分析手段、策略和方法。

（三）對反應精餾操作以及工藝條件的選擇

由于反應精餾不同于其他一般的精餾過程，反應精餾的復雜性使過程的設計、放大、操作性能和控制方案的研究等方面均存在較大的困難，上述這些反應精餾過程的初步設計方法目前還未形成全面有效的理論體系要在這一領域里開展深入的研究工作，應該從理論上進行分析探討。但是在實際情況中，還不得不靠經驗來處理某些問題。ChemCAD就可解決上述問題。

二、ChemCAD軟件簡介

（一）ChemCAD化工模擬系統的簡介

ChemCAD是美國CHEMSTATIONS公司開發的化工模擬軟件。它可以用嚴格的和最新的計算方法進行單元操作乃至全過程的模擬計算，對現有裝置進行評價，為企業提供可靠的相關依據，達到優化設計和操作的目的。

ChemCAD軟件提供了包括鹽、堿、烴類、電解質（共有220種不同的電解質）、酸或其它精細化工應用方面的所有內容的大量最新的熱力學計算方法，共有30多種K值和12種H值的計算方法，還有不同的粘度方法、熵方法、密度方法、蒸汽壓方法，以及計算導熱系數和表面張力的方法可供選擇。這些給用戶帶來了很多的方便。

目前，國內主要應用于精餾操作。在ChemCAD內部，精餾模塊分為嚴格型和簡捷型兩種。簡捷型以Fenske-Underwood-Gilliland模擬為基礎，只能解決單塔的簡單精餾操作。嚴格型包括SCDS（Simultaneous Correction Distillation System）、Tower和Tower Plus 三種計算模塊。ChemCAD推薦標準塔（即1個輸入物流和2個產品物流）可使用Tower，對于帶有熱交換器、循環泵和側線采出的塔則使用Tower Plus。SDCS通常用來模擬非理想體系，它使用的是牛頓-拉普拉斯法收斂計算，允許氣液兩相中存在20多個組分。它不僅能夠模擬簡單塔的計算，還可以處理5個側線進料和4個側線采出的復雜精餾情況，提供了Murphee板效率選擇項。此外，該模型還提供了冷凝器和再沸器的多種選擇。較之前兩類，SCDC功能強大，但運算時間較長，特別是組分數≥10.

（二）ChemCAD模擬化工流程的一般步驟

1、新建一個流程。在ChemCAD中新建一個流程很簡單，只要單擊File菜單下的New命令，你可以選擇合適的路徑存儲這個新流程。

ChemCAD是一個綜合性的過程模擬程序，化學工程師熟悉的幾乎所有的單元操作，包括像嚴格的反應器、換熱器、精餾塔、壓縮機、混合器等單元裝置的流程圖，都可在Windows下通過使用ChemCAD來模擬。

選擇流程圖計算所需要的單元操作，并把它們放在主窗口中，物流是工藝過程計算的連接器，通過物流信息由一個單元操作傳遞到另一個單元操作。

2、選擇合適的單位。選擇合適的單位也是非常重要的，單擊Format菜單下的Engineering Unit命令，就可以選擇合適的單位制，如國際制單位、英制單位、或者任何作者熟悉習慣使用的單位。

3、選擇物系組分。ChemCAD有其強大的模擬功能，而支撐這些功能的基礎是完善的物性數據庫。ChemCAD默認三種類型的物性數據庫：ChemCAD數據庫（ChemCAD database）、組織共享數據庫（organizational pool database）、本地用戶數據庫（local user database）。