（控制科学与工程专业论文）碳酸二甲酯反应精馏塔过程强化的综合设计与控制.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 夏z 堕日期 幽 垒 幽 垒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编 学位论文 保密论文注释 本学位论文属于保密范围 在2 年解密后适用 本授权书 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授 权书 作者签名 盈逊日期 型丝上盆塑 导师签名 鸯乳澎日期 趁zf 笸 至 学位论文数据集 中图分类号 1 1 p 1 8 学科分类号 1 2 0 3 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 l 1 0 7 8 4 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名聂子呖 学号2 0 0 8 0 0 0 7 8 4 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码0 8 1 1 0 l 课题来源国家自然科学基金研究方向 化工系统工程 论文题目碳酸二甲酯反应精馏塔过程强化的综合设计与控制 关键词反应蒸馏塔 过程强化 碳酸二甲酯 动态性能 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 7 日奉论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师黄克谨教授北京化工大学化工系统工程 评阅人l李宏光教授北京化工大学控制科学与工程 评阅人2陈娟教程北京化工大学控制科学与工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会端李宏光教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员1 曹政才 教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员2 陈娟 教授 北京化工大学控制科学与工程 答辩委员3 崔玉龙 教授 北京化工大学 控制科学与工程 答辩委员4夏涛教授北京化工大学 控制科学与工程 答辩委员5 注 一 论文类型 1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二 中图分类号在 中国图书资料分类法 查询 三 学科分类号在中华人民共和国国家标准 g b 厂r1 3 7 4 5 9 学科分类与代码 中查 询 四 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 碳酸二甲酯反应精馏塔过程强化的综合设计与控制 摘要 化工生产中 反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中 进行 而反应精馏则是把反应过程和分离过程结合为一体的有效的工 业流程 对于可逆反应的反应分离过程提供了很好的强化方法 针对 反应精馏塔 我们可以通过精馏塔内部的过程强化设计来减少它的耗 能 并且提高它的操作性能 过程强化主要包括热耦合和物质耦合 反应精馏塔按照反应热的不同可以分为三类 无热反应精馏塔 中等热效应反应精馏塔 大量热效应反应精馏塔 对于大量热效应反 应精馏塔 过程强化主要需要考虑反应精馏塔内部的热耦合 对于无 热反应精馏塔 过程强化主要需要考虑反应精馏塔内部的物质耦合 对于中等热效应反应精馏塔 过程强化不仅要考虑塔内的热耦合 还 要考虑塔内的物质耦合情况 对于大量热效应反应精馏塔 很多学者 对其强化内部热耦合进行了广泛深刻的研究 但是在无热反应精馏塔 和中等热效应反应精馏塔领域 研究者尚属少数 研究表明 反应段 与精馏段耦合 反应段与提馏段耦合 改变反应物进料位置 改变催 化剂在反应段内的分布状态这四种方法可以有效地强化反应精馏系 统内部的耦合 本文以碳酸二甲酯反应精馏塔为例 通过以上四种方 法研究具有中等热效应的反应精馏塔的强化内部耦合对精馏塔静态 和动态特性的影响 反应精馏过程通过a s p e l lp l u s 软件进行建模和仿 真 t 北京化工大学硕士学位论文 研究结果表明 对于碳酸二甲酯反应精馏塔 过程强化不仅可以 改善系统的静态特性 减少再沸器热负荷带来的系统能耗以及精馏塔 的年度总投入费用 并且可以改善系统的动态特性 增强其可控性 这个结论可以推广应用于其他大部分含有中等热效应的反应精馏系 统 这也同时说明了在含有中等热效应的反应精馏塔中研究过程强化 的重要性 关键字 反应精馏塔 碳酸二甲酯 过程强化 动态性能 l i p r o c e s si n t e n s i f i c a t i o n 二 d e s i g na n d c o n t r o lo fad i m e t h y lc a r b o n a t er e a c t i v e d i s t i l l a t i o nc o l u m n a b s t r a c t c o n t r a s ts h a 印l yt ot h ec o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o np r o c e s s t h er e a c t i v e d i s t i l l a t i o np r o c e s si sa ne 瓶c i e n ti n d u s t r i a lp r o c e s st h a tc o m b i n e st h e r e a c t i o na n d s 印a r a t i o np r o c e s st o g e t h e r i t b r i n g s o u ta g r e a t s t r e n g t h e n i n gm e t h o df o rt h es 印a r a t i o np r o c e s so far e v e r s i b l er e a c t i o n t h o u g h t h e p r o c e s s i n t e n s i f i c a t i o n d e s i g nm e t h o d s t h er e a c t i v e d i s t i l l a t i o np r o c e s sc a no f e e rm o r eb e n e f i t si nu t i l i t yc o n s u m p t i o na n d c a p i t a li n v e s t m e n t w i t hm eo p e r a t i n gp e r f b m 觚c eb e e ni m p r o v e d b o m i n t e m a lh e a t i n t e 罂 a t i o n a n di n t e m a lm a s s i n t e g r a t i o n s h o u l db e c o n s i d e r e dd u r i n gp r o c e s si n t e n s i 6 c a t i o n a c c o r d i n g t ot h et h e m a lh e a tr e l e a s e db yt h er e a c t i o n s t h er e a c t i v e d i s t i n a t i o nc o l u 啪sc o u l db ed i v i d e di n t ot l l r e et y p e s t h o s ew i t hh i 曲 t h 锄a le f r e c t m o s ew i t hn e g l i g i b l et h e r m a le f r e c t a i l dt h o s ew i t hl o w t h e r m a le f 隐c t f o rt h er e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u i n n sw i t hh i g h l yt h e 瑚a l e f f e c t t h em e t h o do fi n t e n s i 研n gi n t e m a lh e a ti n t e g r a t i o ns h o u l db e m a i n l yc o n s i d e r e dw h e nu s ep r o c e s si n t e n s i f i c a t i o nt h e o 巧 f o rt h e r e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m n sw i t hn e 9 1 i g i b l et h e r m a le f f e c t t h em e t h o do f i 北京化工大学硕士学位论文 i n t e n s i f 舛n gi n t 锄lm a s si n t e g r a t i o ns h o u l db em a i n l yc o n s i d e r e d f o r t h er e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m n sw i t hl o wm e m a le f 传c t b o t ht l l e m e t h o d so fi n t e l l s i f 如n gi m e m a lh e a ti n t e g r a t i o na n di n t e n s i 助n gi n t e m a l m a s si n t e g r a t i o ns h o u l db ec o n s i d 即e d i nt h ea r e ao fm er e s e a r c ho nt h e r e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m n sw i t hh i g h l yt h e r m a le f r e c t l o t so fs c h o l a r s h a v eb e e no b t a i n e dc o n s i d e r a b l ea c h i e v e l n e n t h o w e v e r w h e ni tc o m e s t ot h er e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u i i u l sw i t hn e g l i g i b l eo r1 0 wt h e m a le f f e c t i n f e r e n t i a lc o n c l u s i o nh a sn o tb e e nm a d e a c c o r d i n gt ot h ef o 珊e r r e s e a r c h e s t h e r ea r em a i n l yf o u rm e t h o d sw h e nc o n s i d e r i n gp r o c e s s i n t e n s i f i c a t i o no far e a c t i v ed i s t i l l a t i o ns y s t e m t h a ti st os u p e r i m p o s et h e r e a c t i v es t a g e so n t ot h es t r i p p i n gs e c t i o n t os u p 甜m p o s et h er e a c t i v e s t a g e so n t ot h er e c t i 研n gs e c t i o n t or e l o c a t em ef e e dl o c a t i o na n dt o r e d i s t 曲u t et h ec a t a l y s t 锄o n gr e a c t i v es t a g e s i nt h i sp a p e r m ee f f e c to f p r o c e s si n t e n s i f i c a t i o nt om es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u l i u l sw i t hl o wt h e m a le f f e c tw o u l db ee x p l o r e d t h r o u 曲t h em e n t i o n e df o u rs t e p s t h ed i m e t h y lc a r b o n a t er e a c t i v e d i s t i l l a t i o nc o l u m ni st a k e na sa ne x a n l p l e t 1 1 ew h o l ep r o c e s so fm e r e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u i n ni ss i m u l a t e db yt h ec h e m i c a ls o r w a r eo f a s p e n p l u s f o rt h ed i m e t h y lc a r b o n a t er e a c t i v ed i s t i l l a t i o n c o l u m n p r o c e s s i 1 1 t e n s i f i c a t i o nw o u l db ev e 巧h e l p 如lt ot h es u b s t a n t i a lr e d u c t i o no f e n e 玛yr e q u i r e m e n t a d d i t i o n a l l y af a v o r a b l ee f i f e c ti so b s e r v e du p o nt h e i v p r o c e s sd y n 砌c sa n do p e r a b i l i t y t h i sc o n c l u s i o ni sa l s oa p p l i c a b l et o t h em o s tr e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u n mw i t hl o wt h 锄a le f j e e c t t h e s e s t r i b n go u t c o m e s m a l l i f e s tt h a t p r o c e s s i n t e n s i 丘c a t i o ns h o u l db e c o n s i d e r e di nt h es y n m e s i sa n dd e s i g no fr e a c t i v ed i s t i l l a t i o nc o l u m n s w i t hl o wt h e m a le f f e c ti nt h ep r a c t i c a li n d u s t 巧 k e yw o r d s r e a c t i v ed i s t i l l a t i o n d i m e t h y lc a r b o n a t e p r o c e s s i n t e n s i f i c a t i o n c o n t r o l l a b i l i t r v 北京化工大学硕士学位论文 v l 目录 目录 第一章绪论 1 1 1 本文的研究背景 1 1 2 研究意义和目的 2 1 3 本文的主要工作 3 第二章反应精馏过程的研究 5 2 1 反应精馏的发展历史和特点 5 2 2 反应精馏塔的综合与设计 6 2 3 反应精馏的控制 j 8 2 4 反应精馏塔的建模方法 l o 2 5 本章小结 1 1 第三章反应精馏塔过程强化的原理与方法 1 3 3 1 根据反应热对反应精馏塔进行分类 1 3 3 2 能量耦合和物质耦合 1 4 3 3 反应精馏过程强化设计的基本方法 1 5 3 4 针对不同反应热的精馏塔进行强化设计 1 6 3 4 1 大量热效应反应精馏塔 1 6 3 4 2 无热反应精馏塔 1 7 3 4 3 中等热效应反应精馏塔 1 7 3 5 本章小结 1 9 第四章碳酸二甲酯反应精馏塔过程强化的综合与设计 2 1 4 1 碳酸二甲酯反应精馏塔基本塔的稳态模型的建立 2 1 4 1 1 碳酸二甲酯反应精馏过程描述 2 1 4 1 2 碳酸二甲酯反应精馏塔的稳态模型的建立 2 2 4 1 3 碳酸二甲酯反应精馏塔基本塔的静态特性 2 5 4 2 碳酸二甲酯反应精馏塔的过程强化设计 2 6 4 3 碳酸二甲酯反应精馏塔过程强化的结果 3 1 v l i 北京化工大学硕士学位论文 4 3 1 碳酸二甲酯反应精馏塔耦合塔的最终结构 3 l 4 3 2 耦合前后碳酸二甲酯反应精馏塔的热力学效应和t a c 的对比 3 6 4 4 本章小结 3 8 第五章过程强化对碳酸二甲酯反应精馏塔动态特性的影晌 3 9 5 1 建立碳酸二甲酯反应精馏塔的动态数学模型 3 9 5 2 碳酸二甲酯反应精馏塔控制系统的设计 4 0 5 2 1 灵敏板的选择 4 1 5 2 2 控制器的设计 4 2 5 3 碳酸二甲酯反应精馏塔的控制系统的动态响应 4 3 5 4 过程强化对碳酸二甲酯反应精馏塔动态特性的影响 5 l 5 5 本章小结 5 1 第六章结论与展望 5 3 6 1 结论 5 3 6 2 展望 5 4 参考文献 5 5 致谢 6 l 研究成果及发表的学术论文 6 3 导师与作者简介 6 5 v l i i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1r 伪e 砌1b a c k 舢d 1 1 2m o t i v a t i o na 1 1 dp l 田p o s e 2 1 3s 仃u 咖r eo f sp a p e r 3 c h a p t e r 2o v e r v i e wo f r e s e a r c ho nr d p r o c e s s 5 2 1h i s t o 巧狮df e a t l 鹏so f r dc o l u m n s 5 2 2s 灿e s i sa n dd e s i 弘o f l 砌u n 潞 6 2 3o p e r a b i l i t ya i l dc o n 仃o lo f r dc o l u n 胁s 8 2 4m e 1 0 d so f m o d e l i i 玛o f r dc 0 1 u i n n s 1 0 2 5c o n c l u s i o n s 1 1 c h a p t e r3p r i n c i p l ea n ds t r a t e g yo fp r o c e s si n t e n s i f i c a t i o ni nr e a c t i v e d i s t i n a t i o nc o l u m n 1 3 3 1c a t e g o 珂o f r dc o l 硼n n si i lt i 锄so 仆e a to f t h er e a c t i o n 1 3 3 2p r i n c i p l eo f e n e 增 yi n t e g 枷o na n dm 嬲si n t e g 阳t i o n 1 4 3 3b 嬲i cm e m o d sf o rp r o c e s si n t e i l s m c a t i o no f r dc o l l m n s 1 5 3 4p r o c e s si n t 既s i f i c a t i o nf o r t h i 优t y p 懿o f r dc o l l 瑚n s 1 6 3 4 1r dc o l 嘲si l l v o l v i n gr e a 嘶 璐w i t l lh i g l l l ym 锄a le 行e c t 1 6 3 4 2l t dc o l u m n si n v o l i n gr e a c t i o 粥w i mn e 酉i g i b l yt l l e n i l a le 默t l7 3 4 3i t dc 0 1 l 肋n si n v o l v i n gr c a c t i o 娜w i ml o wm e n i l a le a e c t 1 7 3 5c o n c l u s 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m cr dc o l u m n j 4 0 5 2 1s e l e c t i o no f m es e n s i t i v e 缸l wt e n l p e r a n l r e 4 1 5 2 2d e s i 印o f t h ec o i l t r o l l e r s 4 2 5 3d y n 锄i cr e s p o n s eo f d m cr dc o l l m n 4 3 5 4e 彘c to f t h ep r o c e s si n t e n s i f i c a t i o no np r o c e s sc o n 仃0 l l a b i l 时 5 l 5 5c o n d 戚 璐 5 l c h a p t e r 6c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 5 3 6 1c o n c l u s i o n s 5 3 6 2p r o s p e c t 5 4 r e f e r e n c e s 5 5 a c k n o w l e d g e m e n t 6 1 a c h i e v e m e n ta n dp u b u s h e dp a p e r 6 3 i n t r o d u c t i o no f t h et i l t o ra n da u t h o r 6 5 x 符号说明 符号说明 塔底产品流量 k m o l r 1 条件数 塔板直径 m 碳酸二甲酯 碳酸乙烯酯 乙二醇 反应物流量 k m 0 1 s 1 流量控制器 反应物进料流量 k m o l s 1 塔高 m 汽化热 u k m o r l 反应热 l j l c r n o r l 组分标号 塔板标号 气液平衡常数 比例增益 液体流量 k m o l s 1 液位控制器 塔板持液量 m 3 甲醇 塔板数 精馏段的塔板数 反应段的塔板数 提馏段的塔板数 压力控制器 进料热状况 再沸器负荷 w 冷凝器负荷 w 反应速率 k m 0 1 s 1 精馏段 反应段 回流量 b叫 一盯嬲f粥脚日肌锄 翰 三 m一以m m门g纵如r r m 咖 北京化工大学硕士学位论文 反应蒸馏 回流量 h n o l s l 提馏段 温度 k 积分时间 s 温度控制器 蒸汽流量 k m o l s 1 液相组成 汽相组成 进料组成 x i l 肋l l i j r 乃弼y x y z 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 化工过程一直以来都是我国工业的最重视的过程之一 各个领域的学者们对 化工过程的工艺流程的设计和操作过程的设计一直广泛的关注 近年来 我国各 种环境问题都迸发出来 环境污染 资源紧缺 石油化工产品的原料日益紧缩 因此 对化工过程利用系统强化的设计方法进行重新设计 实现绿色化工 节能 环保 无论在工业实际还是理论研究中都已成为了热点问题 化工生产中 反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中进行 而反 应精馏则是把反应过程和分离过程结合为一体的有效的工业流程 它将反应生成 的产物或中间产物及时分离 达到更好的分离效果 同时又可利用反应热供产品 分离 达到节能的目的 它的原理是 对于原本的可逆反应 当某一产物的挥发 度大于其反应物时 可以将该产物从液相中馏出 这样就破坏原有的平衡 使反 应继续向生成物的方向进行 从而可以提高单向转化率 在一定程度上使可逆反 应变为不可逆反应 反应精馏的优点有 使可逆反应某种程度上转化为不可逆反 应 提高了单程转化率 使反应速度提高 从而提高了分离效果 精馏过程可以 利用反应热以节省能耗 反应器和精馏塔由两个设备合二为一 减少了资金投入 对某些不易分离的物质 可以通过提高转化率获得更纯的产品 反应精馏塔把反应过程和分离过程结合在一起 这样虽然减少了设备费用 但是反应操作和分离操作的相互作用会加强 对它的研究就会更加复杂 许多学 者对反应精馏的节能效果和稳态特性进行了研究 已经取得了很多成就 研究出 来很多优化反应精馏系统的方法 但是到现在为止 学者们还没有找到一个最完 善最规律性的方法重新对反应精馏系统进行设计 使反应精馏系统最大限度的得 到节能 因此就需要对反应精馏系统进一步进行研究 使反应精馏系统的潜力充 分发掘出来 进一步提升反应精馏系统的热力学效应 反应精馏塔按照反应热的不同可以分为三类 无热反应精馏塔 中等热效应 反应精馏塔 大量热效应反应精馏塔 对于大量热效应反应精馏塔 内部热耦合 在过程强化中发挥的作用远大于内部物质耦合的作用 内部热耦合在系统强化设 计中占据主导地位 这时 在用系统强化方法对反应精馏塔进行设计时 主要需 要考虑内部能量耦合对系统静态参数和操作特性的影响 h u a i l g 等人已经运用系 统强化设计方法 主要考虑内部热耦合 研究了理想四元化学反应 甲基叔丁基 醚的合成和分解等案例的优化和重新设计 l 卅 从结果可以看出 强化设计方法 对于反应精馏塔有重大的影响 不仅可以使系统得到更大的节能 还可以对它的 北京化工大学硕士学位论文 动态操作特性产生有利的影响 但是在无热反应精馏塔和中等热效应反应精馏塔 领域 研究者尚属少数 5 8 1 本课题针对中等热效应反应精馏塔提出了一种过程 强化型综合设计方法 不仅要考虑反应精馏塔中的内部热耦合 还要考虑反应精 馏塔中的物质耦合 通过几种耦合方法对碳酸二甲酯反应精馏塔进行优化设计 考察它对系统静态性能和动态性能的影响 1 2 研究意义和目的 与常规的反应和分离在两个不同设备中进行的系统相比 使用反应精馏系 统 可以使系统不受化学平衡的约束 使系统的转化率得到提高 有更好的选择 性 而且在一般情况下可以避免形成共沸物 热力学效率和系统的固定投资都可 能得到极大的改进 这些反应精馏系统的优点在化学创新中发挥了非常重要的作 用 9 1 们 但是对于一个反应精馏塔 能否将它的内在潜力充分发掘出来 不仅系 统本身的操作条件发挥着重要的作用 而且还很有可能是取决于反应段和分离段 的相互作用的方式 在一个反应精馏塔中 反应操作和精馏操作是怎样有效的结 合起来的 对反应精馏系统的综合设计与控制有巨大的影响 在对反应精馏塔进 行设计时应该优先考虑 学者们在对反应精馏塔进行研究室的确找到某些过程比 常规过程优越 但这些反应精馏过程却并不一定是最优的设计 它往往还有更大 的潜力可以发挥 其根本原因就是在对反应精馏塔进行设计时没有考虑过程强化 方法的影响 为了使反应精馏塔的效率得到最大程度的提升 在对反应精馏塔进 行设计时必须考虑强化型的设计方法 系统强化技术化工系统中的第三代综合设计方法 它是综合考虑了能量耦合 技术和物质耦合技术之后 对多方因素进行综合设计发展起来的新兴的设计方法 之一 1 2 1 化工系统中的物质耦合是指充分利用化工过程中的反应物和产品 甚至 包括一些本来意义上的副产品或者化工废料 将他们回收并合理的利用 或者对 化工过程中用以提供热量或者冷却的媒介物进行循环回收和再利用 尽可能地提 高物质的利用率 以提高反应精馏的效率 能量耦合是指充分考虑化工过程中各 个操作过程的吸热和放热的情况 根据需要充分回收利用热能 对热需求进行调 整搭配 使热量的利用率达到最高 l 孓1 6 1 系统强化技术则是通过对物质耦合技术 和能量耦合技术的充分考虑和结合利用 把两种耦合技术运用到同一化工过程 中 可以更大的提升物质的利用率 并且最大程度的降低系统的能耗 学者们以 往研究系统强化设计方法时 大部分只研究一个单独的变量对精馏塔的影响 而 过程强化设计对多个变量的综合运用却没有被广泛的研究 这就是现阶段系统过 程强化设计方法发展的有局限性的一面 本课题将通过研究强化内部热耦合和物 2 第一章绪论 质耦合技术在碳酸二甲酯反应精馏塔中的应用 归纳出含有中等反应热反应精馏 塔的过程强化设计方法 碳酸二甲酯由碳酸乙烯酯和甲醇发生酯交换反应生成 同时生成另一种重要 的化工原料乙二醇 这个反应是放热反应 且属于中等放热反应 因此在对碳酸 二甲酯反应精馏塔考虑强化技术的应用时 必须同时考虑内部热耦合和内部物质 耦合对塔的静态特性和动态特性产生的影响 想比于学者们对含有大量热效应反 应精馏塔强化内部热耦合的研究 利用过程强化对中等热效应反应精馏塔的研究 者尚属少数 因此研究碳酸二甲酯反应精馏塔的强化内部耦合并将其推广到含有 中等反应热的反应精馏塔的研究中就有十足的必要性 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是研究在碳酸二甲酯反应精馏塔中 运用系统强化技术强化 内部热耦合和物质耦合对过程综合设计和动态特性的影响 在简要介绍了强化内 部热耦合及物质耦合的原理后 应用强化内部热耦合和物质耦合原理开发了碳酸 二甲酯反应精馏塔 1 7 以9 1 通过对碳酸二甲酯反应精馏塔在用强化设计方法重新设 计前后的静态特性 热力学效率和动态操作性能的比较 总结出系统强化设计方 法对碳酸二甲酯反应精馏塔各方面条件的影响 通过这一结论 再分析在中等热 效应反应精馏塔中用系统强化设计方法重新设计的必要性 本文主要分为以下几个部分 第一章是绪论 提出课题并简介本课题提出的 背景 第二章主要对反应精馏技术进行介绍 包括反应精馏塔发展的历史概况 优缺点 以及学者对它进行的研究 第三章主要介绍了系统强化设计方法的概念 说明强化设计方法中能量耦合部分和物质耦合部分在各种不同种类的精馏塔中 的具体应用 第四章过程强化原理应用到碳酸二甲酯反应精馏塔中 比较了强化 内部耦合和无强化内部耦合的碳酸二甲酯反应精馏塔的静态特性和经济效益 第 五章提出用两点温度控制系统对碳酸二甲酯反应精馏塔进行控制 研究强化设计 方法对碳酸二甲酯反应精馏塔动态操作性能的影响 第六章对全文内容进行总 结 并且展望了以后还需要开展哪些工作 3 北京化工大学硕士学位论文 4 第二章反应精馏过程的研究 第二章反应精馏过程的研究 反应精馏过程是一个较为新兴的化工过程 它使化学过程中的反应过程和分 离过程可以同时在同一个塔内进行操作 反应精馏过程与传统的反应和精馏分别 在两个设备中进行的一般过程相比 它把两个过程有效的结合起来 减少了设备 投入 使两个过程都得到强化 同时具有一些单一过程达不到的优点 反应精馏 通过不断的把生成物提取出去 可以打破化学平衡对反应过程中反应转化率的限 制 使反应不断的向正反应的方向推进 大大提高了反应转化率和选择性 从而 使生产能力大幅提高 2 1 反应精馏的发展历史和特点 传统的生产过程中反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中进行 反应精馏则把反应过程和分离过程有效地结合为一体 它将反应生成的产物或中 间产物及时分离 达到更好的分离效果 同时又可利用反应热供产品分离 达到 节能的目的 反应精馏工艺的出现 使人们长期以来对分离过程和操作过程的传 统认识得到了改变 让很多学者开始考虑化学工业过程中的进一步优化和节能的 问题 2 0 也 反应精馏系统的概念在1 9 2 1 年被提出来 上世纪3 0 年代学者们对 它的特定的工艺体系进行了探索 上世纪7 0 年代学者们针对反应精馏系统提出 了规范的计算方法 上世纪8 0 年代学者们开始对反应精馏系统进行最优化设计 的研究 并对其进行了数学建模 上世纪9 0 年代学者们开始注意到反应精馏中 的多稳态问题 对其进行了研究并对反应精馏系统进行了更严格的数学建模过程 的综合 近几年开始 很多学者对反应精馏塔的优化控制的研究开始进行研究 提出了很多先进的控制方法 经过这几个阶段的发展 反应精馏很快的被广泛应 用到很多实际的生产过程中去 如皂化反应 酯化和酯交换反应 水解反应及氨 化反应 硝化反应和卤化反应等等 这些领域都进行了实际产品的生产过程 2 3 2 9 在近两三年 很多学者开始考虑充分利用反应精馏过程中的热量 因此提出了内 部热耦合精馏塔 隔离壁式精馏塔 外部热耦合精馏塔等对反应精馏过程中的热 量进行耦合的结构 这些反应精馏塔的结构往往更加复杂 在设计过程中需要考 虑的因素很多 另外除了考虑系统的综合设计 还必须考虑系统的动态控制 学 者们初步取得了一些成果 更多的研究正在进行当中 相对于常规精馏 反应精馏拥有显著的优势 主要表现在以下几个方面 1 反应精馏塔把反应过程和分离过程结合在一个容器里 这样显然降低了 工艺过程的设备投入 原有设备的工艺过程也比较容易实现优化 北京化工大学硕士学位论文 2 反应精馏过程可以提高反应转化率 有效的使副反应得到抑制 由于在 反应精馏塔中 反应的产物不断的分离出去 这样就打破了本来的化学平衡 因 此生产能力可以得到显著的提高 3 反应精馏塔通过不断的抽出反应产物 打破化学平衡 可以在某些情况 下避免避免形成共沸物 有效的推进分离过程 4 反应精馏塔可以有效的降低能耗 反应放出或吸收的热量可以直接被分 离操作段利用 提高了系统的热力学效率 如果是放热反应 将反应段向提馏段 扩展 如果是吸热反应 把反应段向精馏段扩展 这样就可以利用反应操作与分 离操作之间的彼此互相作用 使系统的热力学效率得到提高 3 0 羽 反应精馏过程与传统的反应和分离过程相比之所以可以有这些优点 从根本 上来说 主要是因为反应精馏过程不仅包含传质过程 也包含传热过程 在反应 精馏塔内部不断发生着物质和能量的交换 而反应精馏的过程通过把反应和分离 过程结合起来 拥有特殊的拓扑结构 决定了它系统内部的物质和能量的耦合程 度会明显强于传统的径流过程 不过 反应精馏技术的使用也有如下限制 精馏 必须是分离反应物和产物的可行方法 反应温度和泡点温度一致 反应和分离的 结果给操作性带来了困剌弭3 6 1 反应精馏过程的研究对于降低系统能耗 提高系统性能都具有十分重要的意 义 但由于反应过程和分离过程的结合作用 比单纯的反应和精馏过程要复杂得 多 如今经过很多学者的努力 反应精馏技术工艺研究 应用研究 工程设计方 面的理论已经基本成熟 但是由于在反应精馏过程中 很多参数都会对它的静态 特性和操作性能产生影响 因此对反应精馏塔的研究要比传统精馏过程复杂德 国 直到现在还没有得到一套完善系统的方法对反应精馏塔的设计方法进行总 结 从而发挥反应精馏塔最大的潜能 因此我们需要对反应精馏系统进行更深刻 的研究 进一步提高它的热力学效率和动态操作特性 在这种背景下 过程强化 技术就显得更为重要 2 2 反应精馏塔的综合与设计 由上一节可以知道 反应精馏是一种新产生的化工过程 它有很多的优点 但是在现代的工业生产中 反应精馏塔的使用却仍然不是特别广泛 传统的精馏 塔依然是现代工业进行分离操作的主要途径 这主要还是因为反应精馏塔因为将 反应和精馏结合在一起 操作上就有了更多的困难 并且反应精馏塔的热力学效 率很低 很难真正的节能 因此 对反应精馏塔进行合理的设计就更为重要 本文研究的也是反应精馏塔的一种强化型设计方法 通过精馏塔内部热量和物质 6 第二章反应精馏过程的研究 上的耦合 针对反应精馏塔的一个类型 即中等热效应反应精馏塔来进行优化结 构的综合与设计 本文提出的强化型设计方法是众多反应精馏塔设计方法中的一种 在此之 前 也有很多的学者对反应精馏塔的设计提出了各种各样的设计方法 对反应精 馏塔进行综合与设计 本质上就是对反应精馏塔进行硬件结构和操作条件上的各 种参数进行选择 反应精馏塔在硬件结构上的参数主要包括塔板数 塔高 塔径 冷凝器和再 沸器的选用等 操作条件上的参数主要包括反应精馏塔内部反应段 精馏段和提 馏段的分布 进料的位置和热况 催化剂的选择和分布 回流比的选择等 这些 参数的选择都有可能影响反应精馏塔的热力学效率 所以如果选择合适的参数来 使反应精馏塔达到最好的节能效果就是众多学者研究的问题 3 7 删 针对这个问 题 以前主要出现的方法有几何方法和优化法 几何方法主要就是利用图像对反应精馏塔的各项参数进行分析设计 又叫图 解法做 近年来在图解法的使用中 最常用的就是用m t 图和p s 图形进行分 析 图解方法对二元反应的反应精馏塔的处理还是比较有效的 可以用来选择合 适的反应段位置等 但是对于一个多组分的反应系统来说 由于维度的增加 图 解法的适用性就大幅度降低了 优化法以年度总投资为目标函数 对系统做优化 考虑塔的硬件设计中包含 的塔板数 进料位置等变量 运用计算机搜索最优化的位置 使反应精馏塔达到 最低的年度总投资或者最高的热力学效率 其中最有名的就是基于混合整数非线 性设计 m 矾l p 公式化的反应精馏塔的设计方法 很多学者在这方面做过研 究 利用m i n l p 方法到达最优的年度总投资 t a c 这是一种比较有效的方法 它确实可以找到反应精馏塔年度总投资最小的各种参数的选择方法 4 l 删 但是这 种方法有一个缺点 就是同时需要考虑的变量太多了 变量之间又有相互作用 这样如果不借助计算机是很难求解的 因此在应用上给人们带来了很多不便这 种 方法虽然有效 但不经过简化是很难应用的 由于以上的设计方法都有其应用方面的局限性 近年来又有学者们提出了 进化 启发设计方法 这种方法在图解法的基础上考虑分析反应精馏塔的结构 但不需要一一针对每个变量进行穷举式的研究 这种方法的思想主要就是创造出 一种单变量搜索的合理的过程 针对需要选择的参数 考察它们对反应精馏塔的 影响 根据影响力度的大小 先选择影响最大的参数 在这个参数已经选好的情 况下 再对其他参数进行选择 由此一步步进行 到达最优的设计点 基于这一 设计方法 h u a i l g 等人根据热量耦合和物质耦合的基本原理 对不同类型的反应 精馏塔进行静态性能和动态性能的分析 进一步开发了反应精馏塔的热力学潜 7 北京化工大学硕士学位论文 力 本文研究的强化内部物质耦合和热耦合在碳酸二甲酯反应精馏塔中的应用 也是依据这种设计方法 针对一个基础设计的碳酸二甲酯反应精馏塔 一步一步 选择节能效果最好的静态结构 然后再对它进行其他方面如动态特性的分析等 除了反应精馏塔结构参数上的选择以外 还有很多学者提出了一些改变精 馏塔结构的方法 来提高反应精馏塔的热力学效率 比如带有热泵的精馏塔 带 有热交换器的精馏塔等等 这是因为精馏操作有一个共同的热力学准则 精馏段 是放热的 它是一个潜在的热能来源 提馏段是吸热的 它是一个潜在的热能吸 收端 针对这些设计 现在最常见的最有效的就是内部热耦合反应精馏塔 反应段 的热能既可以作为有效的热能来源 放热反应时 也可以作为热能接收端 吸 热反应时 来推动精馏段或提馏段的反应 然而 这项设计以往只应用于有大量 热效应的反应精馏塔 对于大量热效应反应精馏塔通过寻求反应段和分离段的深 度内部热耦合来提高它的热力学效率是很有效的 但是对于反应热量可以忽略的 无热反应精馏塔 用这种思路来考虑精馏塔的设计就行不通了 因此 s u l l 等人 提出了针对无热反应使用物质耦合的原理来提高反应精馏塔的热力学效率的设 计方案 并针对单进料双出料 双进料双出料等理想系统进行了分析 推论出物 质耦合方法对于无热反应精馏塔的适用性 但是并没有针对实际系统进行研究 对于另一类反应精馏塔 含有中等热效应的反应精馏塔 塔内在考虑设计方法时 应