淺述反應(yīng)精餾塔的優(yōu)點(diǎn)及設(shè)計(jì)

朱騰騰 李超

摘 要：反應(yīng)精餾塔做為化學(xué)工藝的一般過(guò)程可以分為以下三個(gè)部分：原料提純、化學(xué)反應(yīng)以及產(chǎn)物精制，原料提純以及產(chǎn)品精制一般涉及分離工程學(xué)科的內(nèi)容，盡管有化學(xué)吸附等有化學(xué)過(guò)程存在，但原料的提純和精制過(guò)程大都屬于相態(tài)變化的操作，而反應(yīng)部分則主要涉及催化以及反應(yīng)工程學(xué)科。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)精餾塔，優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)

一、反應(yīng)精餾塔簡(jiǎn)介

如果將化學(xué)反應(yīng)以及精餾過(guò)程合二為一，即在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以及精餾過(guò)程，這樣便產(chǎn)生了一個(gè)新的概念——反應(yīng)精餾。

反應(yīng)精餾（Reactive distillation process）是化學(xué)反應(yīng)和分離在同一精餾設(shè)備中完成的過(guò)程。目前有皂化、酯化、醚化等多種生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)精餾的集成化操作。這種操作既可以對(duì)難以用普通精餾過(guò)程分離的系統(tǒng)，通過(guò)添加某種組分，使之與被分離組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)混合物體系的分離；又可使反應(yīng)混合體系中的某種組分不斷從塔中分離出來(lái)，改變系統(tǒng)的相平衡和化學(xué)平衡，使之反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，提高轉(zhuǎn)化率。

（一）反應(yīng)精餾塔的優(yōu)點(diǎn)

反應(yīng)精餾過(guò)程可以縮短生產(chǎn)流程、減少成本投資；對(duì)于多數(shù)放熱反應(yīng)還可以利用反應(yīng)熱供分離所需，降低所需能耗；同時(shí)作為一種新型分離技術(shù)，還可用于某些特殊精餾。因此，研究反應(yīng)精餾過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

（二）反應(yīng)精餾塔過(guò)程設(shè)計(jì)

Backhaus在1921年提出有關(guān)反應(yīng)精餾的思想。由于在精餾塔中反應(yīng)的分離之間存在許多影響因素，即使板數(shù)、傳熱、速率、進(jìn)料位置、停留時(shí)間、催化劑、副產(chǎn)物濃度以及反應(yīng)物進(jìn)料配比等參數(shù)的很小變化，都可能對(duì)過(guò)程產(chǎn)生很大影響，所以對(duì)該集成過(guò)程的研究要困難得多。因此，早期在反應(yīng)精餾領(lǐng)域的研究一直以特定體系的數(shù)學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)探索為主。

當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程的反應(yīng)和分離條件與要求確定后，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和精餾過(guò)程集成化設(shè)計(jì)的目的是為了確定過(guò)程的可行性，合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。要更好地發(fā)揮反應(yīng)精餾過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，從技術(shù)上考慮，反應(yīng)精餾設(shè)備的選型，工藝流程和關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選定起著十分關(guān)鍵的作用。目前提出的設(shè)計(jì)方法主要有：

1、直觀法。直觀推斷法是基于反應(yīng)精餾系統(tǒng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和物理化學(xué)知識(shí)提出的一種結(jié)構(gòu)綜合的決策規(guī)則。

2、混合整數(shù)非線性規(guī)劃法。該法是通過(guò)混合整數(shù)非線性規(guī)劃對(duì)反應(yīng)精餾設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于可提供模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化，但必須是事先給出各種可能的組合。

3、數(shù)學(xué)模擬法。數(shù)學(xué)模擬法是在精餾過(guò)程模擬的數(shù)學(xué)模型中引入化學(xué)反應(yīng)平衡項(xiàng)，并假定塔的操作參數(shù)已知，對(duì)大型非線性方程進(jìn)行求解，得出塔內(nèi)溫度、流量、轉(zhuǎn)化率等分布參數(shù)。這樣得到的結(jié)果雖比較準(zhǔn)確可靠，但計(jì)算量大，特別是要憑經(jīng)驗(yàn)確定塔的初值和操作參數(shù)。

4、圖解設(shè)計(jì)法。圖解設(shè)計(jì)法根據(jù)反應(yīng)和精餾過(guò)程的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式繪制算圖用于反應(yīng)精餾過(guò)程的設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)化某些繁瑣的計(jì)算過(guò)程，為數(shù)學(xué)模擬提供較為準(zhǔn)確的初值，并可為不便于數(shù)學(xué)表達(dá)的復(fù)雜問(wèn)題提供分析手段、策略和方法。

（三）對(duì)反應(yīng)精餾操作以及工藝條件的選擇

由于反應(yīng)精餾不同于其他一般的精餾過(guò)程，反應(yīng)精餾的復(fù)雜性使過(guò)程的設(shè)計(jì)、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(yīng)精餾過(guò)程的初步設(shè)計(jì)方法目前還未形成全面有效的理論體系要在這一領(lǐng)域里開展深入的研究工作，應(yīng)該從理論上進(jìn)行分析探討。但是在實(shí)際情況中，還不得不靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)處理某些問(wèn)題。ChemCAD就可解決上述問(wèn)題。

二、ChemCAD軟件簡(jiǎn)介

（一）ChemCAD化工模擬系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

ChemCAD是美國(guó)CHEMSTATIONS公司開發(fā)的化工模擬軟件。它可以用嚴(yán)格的和最新的計(jì)算方法進(jìn)行單元操作乃至全過(guò)程的模擬計(jì)算，對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)，為企業(yè)提供可靠的相關(guān)依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作的目的。

ChemCAD軟件提供了包括鹽、堿、烴類、電解質(zhì)（共有220種不同的電解質(zhì)）、酸或其它精細(xì)化工應(yīng)用方面的所有內(nèi)容的大量最新的熱力學(xué)計(jì)算方法，共有30多種K值和12種H值的計(jì)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(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)和表面張力的方法可供選擇。這些給用戶帶來(lái)了很多的方便。

目前，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于精餾操作。在ChemCAD內(nèi)部，精餾模塊分為嚴(yán)格型和簡(jiǎn)捷型兩種。簡(jiǎn)捷型以Fenske-Underwood-Gilliland模擬為基礎(chǔ)，只能解決單塔的簡(jiǎn)單精餾操作。嚴(yán)格型包括SCDS（Simultaneous Correction Distillation System）、Tower和Tower Plus 三種計(jì)算模塊。ChemCAD推薦標(biāo)準(zhǔn)塔（即1個(gè)輸入物流和2個(gè)產(chǎn)品物流）可使用Tower，對(duì)于帶有熱交換器、循環(huán)泵和側(cè)線采出的塔則使用Tower Plus。SDCS通常用來(lái)模擬非理想體系，它使用的是牛頓-拉普拉斯法收斂計(jì)算，允許氣液兩相中存在20多個(gè)組分。它不僅能夠模擬簡(jiǎn)單塔的計(jì)算，還可以處理5個(gè)側(cè)線進(jìn)料和4個(gè)側(cè)線采出的復(fù)雜精餾情況，提供了Murphee板效率選擇項(xiàng)。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(qiáng)大，但運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，特別是組分?jǐn)?shù)≥10.

（二）ChemCAD模擬化工流程的一般步驟

1、新建一個(gè)流程。在ChemCAD中新建一個(gè)流程很簡(jiǎn)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(chǔ)這個(gè)新流程。

ChemCAD是一個(gè)綜合性的過(guò)程模擬程序，化學(xué)工程師熟悉的幾乎所有的單元操作，包括像嚴(yán)格的反應(yīng)器、換熱器、精餾塔、壓縮機(jī)、混合器等單元裝置的流程圖，都可在Windows下通過(guò)使用ChemCAD來(lái)模擬。

選擇流程圖計(jì)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(guò)程計(jì)算的連接器，通過(guò)物流信息由一個(gè)單元操作傳遞到另一個(gè)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(guó)際制單位、英制單位、或者任何作者熟悉習(xí)慣使用的單位。

3、選擇物系組分。ChemCAD有其強(qiáng)大的模擬功能，而支撐這些功能的基礎(chǔ)是完善的物性數(shù)據(jù)庫(kù)。ChemCAD默認(rèn)三種類型的物性數(shù)據(jù)庫(kù)：ChemCAD數(shù)據(jù)庫(kù)（ChemCAD database）、組織共享數(shù)據(jù)庫(kù)（organizational pool database）、本地用戶數(shù)據(jù)庫(kù)（local user database）。