文 献 综 述

1、课题背景

化学工业的重要组成即三传一反是工艺流程中的基本模块，其中，化学反应在一定程度上决定了原料的消耗和污染的排放量。在反应结束后还面临着分离的任务，分离操作则是能耗相对较高的单元操作，且分离装备的投资较大。开发反应与分离的过程强化技术，发挥各单元间协同及组合增效作用，使各单元的能耗、副产品、废料显著减少，是解决化工方面能源紧缺和环境污染问题的方法之一。反应精馏作为一种常见的过程强化技术，通过反应与精馏的协同作用，使特定组分不断移出反应体系，突破可逆反应的平衡限制，提高反应的转化率；抑制连串反应体系中副反应的发生，提高反应的选择性。反应精馏集成技术可以使连串反应过程的分离能耗达到最小、副产物生成量达到最少，从而实现化工过程的节能减排。

然后由于反应与分离工况条件必须一致，催化剂装填困难等限制，传统的塔内耦合的反应精馏在应用上存在着一些限制。将反应移出塔外构成塔内精馏与塔外反应的”背包式”反应精馏过程可以有效解决这些问题，进一步拓宽了反应精馏的应用范围。

如何优化反应精馏包括”背包式”反应精馏过程使其达到最优化是近年来国内外的研究热点，本次课题的主要内容即是对抽象连串反应的”背包式”反应精馏过程使用MINLP优化，考察不同组分间相对挥发度对过程优化参数的影响。

2 反应精馏

反应精馏（简称RD）将化学反应与精馏分离集成于一个精馏塔内，通过精馏将产品移出反应体系，既能提高连串反应的选择性，又能打破可逆反应的平衡限制，并且能够充分利用反应热，降低精馏能耗。目前，反应精馏有塔内耦合^[1]和塔外耦合^[2]两种集成方式。曾经有一经典案例，即Eastman公司在1971年开发了乙酸甲酯的RD工艺，成功将传统的反应与精馏两个步骤集合到了一个塔内完成，节省了80%的生产成本^[3]，使得人们对反应精馏展开了广泛的研究。迄今为止，RD技术的应用领域已逐步拓展到酯化、醚化、烷基化、水合等10余种类型的反应^[4]

2.1 塔内耦合反应精馏（RD）

塔内耦合反应精馏是目前比较常见且已成功商业化的一种过程强化技术，它是将反应与精馏集合在同一个塔内的过程，其应用领域已扩展到酯化、醚化、加氢、烷基化、水合等诸多反应体系中。与传统的反应器与精馏塔的串联工艺相比，RD具有简化工艺、节省建设成本、降低能耗等优势。然而，这种技术也有一定的局限性：它要求反应和精馏的操作条件要保持一致，如果相差很大，不仅不会带来优势，还会拖累整个流程的生产效率；并且在操作条件一致的前提下，它的反应空间也会受到塔设备空间尺寸的影响。RD的这些缺陷在一定程度上限制了反应精馏集成工艺的进一步拓展。

2.2 塔外耦合反应精馏（SRC）

由于塔内耦合的上述缺陷，乔旭、汤吉海^[5]等人提出了将反应器与精馏塔在外部进行集成的新型反应精馏过程即塔外耦合的侧反应器-精馏塔集成技术SRC，又称”背包式”反应精馏。它将反应器独立于精馏塔之外，通过侧线采出流入实现反应器和精馏塔的耦合。既保持了空间上的独立性，又实现了质量和能量的充分交换。”背包式”反应精馏打破了传统反应精馏空间限制的局限，并且可以实现反应器#8212;精馏塔在不同工况条件下操作。此外，反应器独立于精馏塔之外，催化剂的装填和维修也更加方便。

SRC的提出使反应精馏的应用范围大大拓宽，但由于侧反应器与精馏塔间耦合形式比较多，设计变量的增加使该过程的模拟与设计存在较大难度，迄今关于该过程的理论与应用研究较少。

3 反应精馏RD优化