化工过程强化

化工过程强化

黄智贤福州大学石油化工学院2019-10-3012背景：化学工业面临发展-污染的矛盾炼油、化工、制药、冶金、食品加工

——国民经济的支柱大型化高效率高利润污染之源（80%）高物耗高能耗高污染成为建设资源节约型和环境友好型经济瓶颈之一。3解决问题的途径目标：安全、高效、清洁地将原料最大限度地转化为绿色产品，而给环境带来最小影响。途径之一：绿色化学采用新的催化剂和改变合成路线途径之二：化工过程强化采用崭新的设备和技术4什么是过程强化？

（ProcessIntensification)

1995年，第一界化工过程强化国际会议，Ramshaw教授首先提出:过程强化就是极大地缩小设备尺寸（100倍），或减少单元操作或装置的个数。一般定义：采用新技术和新设备，极大地减小设备体积，极大地增加设备生产能力，显著地提高能量利用效率，大量地减少废物排放。5化工过程强化定义:

化工过程强化是指在生产和加工过程中运用新技术和新设备，极大地减小设备体积或者极大地增大设备生产能力，显著地提高能量效率，大量地减少废物排放。总之，高效、节能、清洁、安全、可持续发展的新技术都是过程强化。6过程强化包含的内容过程？：1传热；2传质7化工过程强化设备—小型化、微型化新型反应器：静态混合反应器微反应器超重力反应器超声波反应器规整构件催化反应器等新型单元操作设备：静态混合器紧凑结构换热器和微通道换热器旋转填充床、离心吸附器等一、强化传质8管式反应器的原理：在化工生产中，连续操作的长径比较大的管式反应器（平推流反应器，简称PFR），它既适用于液相反应，又适用于气相反应。由于PFR能承受较高的压力，用于加压反应尤为合适。具有容积小、比表面大、返混少、反应参数连续变化、易于控制的优点，在化工生产中应用广泛。91.1静态混合反应器（SMC）静态混合器的工作原理是由一系列安装在空心管道中的不同规格的混合单元进行的。由于混合单元的作用，使流体时而左旋，时而右转旋，不断改变流动混合方向，不仅将中心流体推向周边，而且将周边流体推向中心，从而造成良好的径向混合效果。与此同时，流体自身的旋转作用在相邻组件连接处的接口上亦会发生，这种完善的径向环流混合作用，使物料获得混合均匀的目的。之所以称之为“静态”混合器，是指管道内没有运动部件，只有静止元件。10与常规的静态混合器内部单元不同，静态混合反应器的内部构件不是用板材而是用较细的管材制作，中空螺旋板或缠绕管结构，细管内部可以通加热介质也可以通冷却介质，所以内部单元的不同液体不仅能互相很好地混合，以加强传质，而且内部细管能提供很大的传热比表面积，强化传热过程。11静态混合反应器（SMC）静态混合反应器不仅能提高各种高粘度介质的传热分系数，而且能在放大以后仍然保持高的比体积传热面积，从而确保了高的比体积传热速度。1213静态混合反应器（SMC）静态混合反应器传质、传热、动量传递性能优异，设备体积小，结构紧凑，生产能力大，操作成本低，能耗省，维修简单，系统全封闭，特别适合有毒和易燃易爆等危险介质的反应，安全性高。与传统釜式反应器相比，改善了反应器内物料局部过热的问题，强化了传质传热。14静态混合反应器（SMC）有机物硝化反应几乎是瞬间完成，放出大量热，所以一般硝化反应在带有夹套冷却的搅拌釜式反应器中进行。传统搅拌釜式反应器换热面积小，传热效率受到限制，常常通过控制加入反应物的速率来控制反应温度。因此，传统搅拌釜式反应器体积大，反应时间也长。为改善传统搅拌釜式反应器的不足，Sulzer公司研发的静态混合反应器，利用热交换管来实现物料的高效混合，同时将系统中的反应热迅速移出，很大程度上缩小了反应器体积，提高了生产能力。15SMC的应用实例16反应器搅拌釜SMR生产能力/kt·a-11550反应器体积/L130000.2（1/65000）投资/百万美元10(反应器）4（整个工厂）反应时间>18h0.25s（1/259200）应用典型实例：Sulzer公司TNT生产技术应用苯甲酸钠、硫酸反应器醋酸与双氧水反应三乙胺与双氧水反应生物柴油反应戊烯、双氧水及甲酸的反应磷酸氢二铵与乙醛的反应重氮反应丙烯腈氨化反应羟基反应……171、强反热或吸热2、难互溶微反应器是一种建立在连续流动基础上的微管道式反应器，用以替代传统反应器（如玻璃烧瓶、漏斗等）以及工业有机合成中常用的反应釜等传统间歇反应器。在微反应器中有大量的以精密加工技术制作的微型反应通道，它可以提供极大的比表面积，极高的传质传热效率。181.2微反应器19微反应器的“微”不是特指微反应器设备的外形尺寸小也不是指微反应设备产品的产量小而是特指工艺流体流动的通道在微米级别微反应器可以包含成千上百万个微型通道，因此也可以实现很高的产量。微反应器==（连续化）微通道反应器1mL/s的液体流量，在连续操作条件下，每年能生产30t的产量。因此很适合精细化学品生产。20基本功能组件：微混合器，微换热器，微反应器

（连续化）微通道反应器微反应器＝利用精密加工技术制造的特征尺寸在10－300微米（一般低于

1000微米）的连续化的微型通道反应容器50µm浓度和温度梯度是传质传热的推动力，特征尺寸的减小，会引起梯度的增加，相应地会导致传质传热速率以及粘性损失的增加，随着特征尺寸的减小系统的比表面积增加。比表面积

/

体积

(m2/

m3)0.11101001000d

[mm]极大的比表面积微反应器10,000

–

50,000小反应器列管式反应器搅拌反应釜1,500-4,000-

4004-

10

高效的换热能力

（传热系数可达25000

W/(m2·K)）

快速均匀的混合

（毫秒级范围实现径向完全混合）常用换热器传热系数微反应技术的优势

传质换热效率高

停留时间分布窄

反应条件精确控制

可提高反应选择性/收率

工艺条件快速筛选优化

安全性提高

缩短工艺研发到生产的周期

易于放大

连续生产自动化控制23微反应器对反应温度/时间的精确控制温度对于一个化学反应非常重要：•

快反应需要降温否则容易失控甚至爆炸•

慢反应需要加热以提高反应速率•

许多反应对温度非常敏感（动力学Vs.热力学控制）避免平行副反应避免后续副反应对反应温度的精确控制：微反应设备极大的比表面积决定了微反应器有极大的换热效率，即使是反应瞬间释放出大量热量，微反应器也可及时将其导出，维持反应温度稳定。而在常规反应器中的强放热反应，由于换热效率不够高，常常会出现局部过热现象。而局部过热往往导致副产物生成，这就导致收率和选择性下降。而且，在生产中剧烈反应产生的大量热量如果不能及时导出，会导致冲料事故甚至发生爆炸。传统间歇反应釜比表面积微反应器比表面积1000一100001一4飞温25对反应时间的精确控制：常规的批次反应，往往采用将反应物逐渐滴加的方式来防止反应过于剧烈。这就使一部分物料的停留时间过长。而在很多反应中，反应物、产物、或中间过渡态产物在反应条件下停留时间过长就会导致副产物的产生，使反应收率降低。而采用微反应器技术可以精确控制微管道中物料在反应条件下的停留时间。一旦达到最佳反应时间就立即将物料传递到下一步反应，或终止反应，这样就有效避免了因反应时间长而导致的副产物。26物料以精确比例瞬间均匀混和：在那些对反应物料配比要求很严格的快速反应中，如果混合不够好，就会出现局部配比过量，导致产生副产物，这一现象在批次反应器中很难避免，而微反应器的反应通道一般只有数十微米，物料可以按配比精确快速均匀混和，从而避免了副产物的形成。27结构保证安全：与间歇式反应釜不同，微反应器采用连续流动反应，因此在反应器中停留的化学品数量总是很少的，即使万一失控，危害程度也非常有限。而且，由于微反应器换热效率极高，即使反应突然释放大量热量，也可以被迅速导出，从而保证反应温度的稳定，减少了发生安全事故的可能性。因此微反应器可以轻松应对苛刻的工艺要求，实现安全高效生产。本质安全28无放大效应：精细化工生产多使用间歇式反应器。由于大生产设备与小试设备传热传质效率的不同，小试工艺放大时，一般需要一段时间的摸索（小试―中试―工业化生产）。利用微反应器技术进行生产时，工艺放大不是通过增大微通道的特征尺寸，而是通过增加微通道的数量来实现的，所以小试最佳反应条件不需做任何改变就可直接用于生产，不存在常规批次反应器的放大难题，从而大幅缩短了产品由实验室到市场的时间。

20

个通道,

宽度

50

µm

:

流量

~

2

l/h流量

~

25

l/h

300

个通道,

宽度

50

µm:20

000

个通道,

宽度

50

µm:流量

~

1000

l/h微反应技术的应用范围

应用于强放热反应、有毒试剂反应、强腐蚀反应、高危险反应、快速反应、多步反应(多种试剂输入)等。（1）硝化反应:可使反应过程变得安全、高效换热，使反应常温进行，降低能耗，收率高达99.5%以上。无溶剂参与反应，洗涤分液即可，废硫酸可循环利用。（2）格氏反应:很好地解决了强放热反应容易爆炸的危险，瞬间快速反应。需要很好的控制反应物的混合，避免副反应多、产物易分解的问题。（3）过氧化物处理，该过程废碱水量大，处理困难，环保压力大；放热较大，温度过高过氧化物易发生危险。采用微反应器，物料常温加入，温度可精确控制。

(1)微反应器不能处理固体，不适于很慢的液一固反应。

(2)不适于传统工艺的选择性和收率已经很高的反应。(3)试剂和产品必须为溶液状态，不能有固体生成。

(4)采用有机碱时应有防止成盐的措施。

(5)微反应器的通道尺寸很小，很容易被固体颗粒堵塞，而且很难清理。微反应器应用的限制条件1.3超重力技术31超重力技术的基本原理是利用超重力条件下多相流体系的独特流动行为，强化相与相之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质传热过程。获取超重力的方式主要是通过转动设备整体或部件形成离心力场。当转子高速旋转时，转子上的液体在离心力作用下向四周流动。液体被分散、破碎形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道加剧了液体表面的更新。这样，在转子内部形成了极好的传质与反应条件。超重力精馏32超重力精馏塔是利用超重力技术原理强化气液传质过程的一种新型设备,其实质是利用旋转的离心力场来代替常规的重力场，液体在巨大的剪切力作用下被拉升或撕裂成微小的液膜、液丝和液滴，实现相界面的快速更新，极大地提高了传质速率系数，相比传统塔器设备提高1-3个数量级，极大强化了微观混合和传质过程。达到增加效率、缩小设备和降低能耗的目的。33传统精馏过程中最基本的汽液传质单元是气泡，而在超重力精馏过程中，填料内只有液膜、液滴与填料空间的气相，无气泡存在，基本的汽液传质单元是液膜和液滴，这是两精馏过程的本质区别。液体出口气体出口气体入口填料动密封液体入口动密封填料式超重力床折流式超重力床（精馏塔）主要由圆形外壳和折流式转子组成。折流式转子是超重力床的核心部件,由静盘和动盘组成，静盘与壳体固定连接,动盘与轴连接并随轴一起转动。在动、静盘上按一定间距同心安装了一定数量的折流圈,然后将两盘嵌套在一起,静盘上的折流圈与动盘留有一定距离,同样动盘上的折流圈与静盘也留有一定距离,形成了供气液流通的折流式通道。其工作原理为：作为连续相的气体由进气口2进入壳体，在压差的作用下从转子外侧沿着静折流圈与动折流圈之间的间隙曲折地由外向中心流动，最后经出气口5离开床体；作为分散相的液体由进液口6进入至动盘中心，随后被一系列高速旋转的动折流圈反复甩向静折流圈，最后在壳体内收集后由出液口9引出。液相在其间经历了多次加速—抛出—撞击的过程，在此过程中，液体与气体以极大的相对速度逆流接触，液体以极其细微的液滴甩离动圈的筛孔，高速运动的液滴在动静圈上被碰撞、剪切和飞溅，形成细小的液滴、液丝、液膜，从而获得了比表面积极大而又不断更新的气液界面，使气液接触相当充分，因此具有极高的传质速率。27块理论板/米填料塔回流塔釜产品塔顶产品进料冷凝器再沸器精馏段提馏段精馏流程超重力精馏回流塔釜产品塔顶产品进料再沸器冷凝器精馏段提留段超重力床应用于精馏的优点※高度低、体积小，占地面积小，安置灵活；※可以减少设备制造和附属设施耗材；※操作和维修方便，避免了高空作业；※传质效率/通量非常高，不易液泛；※液速非常高，适于高粘度物料的处理※气液停留时间极短，适于热敏物系的分离；40高度低、体积小，占地面积小，安置灵活1.4撞击流技术撞击流：气体充分加速固体颗粒后形成的气-固两相流同轴高速相向流动并在两加速管的中间即撞击面上互相撞击。两股高速两相流撞击的结果，形成了一个高度湍动、颗粒浓度最高的撞击区，为强化热、质传递提供了极好的条件。41撞击流原理图喷头结构示意图气体连续相撞击流气体连续相撞击流的共同特点：以气体为连续相，连续相黏度低，与分散相密度差大，操作的撞击速度高。从而导致撞击区湍动强烈，相间相对速度很大，分散相颗粒/液滴可以在两股相向流体间做往复渗透振荡运动。42气体连续相撞击流特别适合液相进行快速不可逆反应的气液相反应或化学吸收过程。撞击流干燥撞击流吸收液体连续相撞击流在化学反应、结晶、制备超细粉体空气净化等方面有重大应用：1、撞击流结晶器；2、撞击流反应器；3、撞击流细胞破碎；4、撞击流乳化分散；5、撞击流溶剂萃取；6、撞击流式油烟净化器。431.5超声强化膜分离技术超声波是指频率在20kHz～10MHz的声波，它可以在气体、液体或固体中传播。当超声波在液体中传播时，超声波与液体之间的相互作用主要依靠其空化现象。所谓超声空化现象，是指液体中微小空化泡(真空泡或含气体和蒸汽的气泡)在声波作用下的振荡、生长、收缩直至崩溃的一系列过程。空化泡崩溃时，形如一个局部过热点，在极短时间内(<10 us)，在泡内产生5000K的高温和50MPa的高压，并伴生强烈的冲击波和速度达110m/s左右的微射流。超声波的这种空化作用给媒介带来巨大的机械效应和热效应等。 44对于膜蒸馏、膜吸收等传质膜分离过程，超声波对过程的强化也主要是由其空化作用所致。首先，微射流、冲击波和声冲流等引起液流宏观湍动，使边界层减薄，湍流主体中的涡流扩散加强，同时也造成了边界层内的局部湍动，使边界层中的分子扩散转变为涡流扩散，最终使物质与界面间的对流传质加强；其次，微射流和冲击波等对液．固界面有冲击作用，进而使相界面得以更新，加快了液流内部的物质传递；最后，微射流和冲击波等也在膜微孔 内产生微扰作用，使微孔内物质扩散得到加强。超声波的上述效应均对传质膜分离过程起到了强化作用。45超声强化膜处理过程的原理在超声波辐射下的超滤与微滤过程中，超声空化所产生的微射流和冲击波等可以促进液流与颗粒的宏观运动，使颗粒易于被液流带走，避免了颗粒的沉积，有效地减缓浓差极化现象及滤饼层的形成，使边界层阻力及滤饼阻力显著减小。同时，空化泡崩溃时产生足够的能量，克服了物质与膜之间的作用力，减弱了溶质的吸附和膜孔的堵塞，从而抑制膜污染。此外，超声波的空化作用使膜表面的溶质浓度减少，降低了溶质的渗透压，抑制了由浓差极化引起的渗透压升高，也有益于膜通量的增加4647耦合是过程强化方法的重要手段反应与膜分离的耦合精馏与膜分离的耦合反应与蒸馏分离的耦合分离过程的耦合反应与传热的耦合……481.5膜反应器原理：膜反应器是膜过程和反应过程相结合的新技术。利用多孔膜的选择性透过特性，在一个反应器内同时实现催化反应和分离操作。49膜反应器的实际应用利用沸石膜对氢气的透过性，进行异丁烷脱氢制异丁烯，收率提高1-3倍。在Pd/Ag膜反应器中进行正丁烷脱氢反应，转化率比固体床提高8.2倍。乙苯脱氢制苯乙烯乙烷脱氢制乙烯丁烯脱氢制丁二烯50应用实例：51膜反应器的优点52膜反应器分类53545557

渗透汽化(pervaporation,PV)蒸汽渗透（VapourPermeation,VP)1.6膜分离膜分离渗透汽化的基本原理58原料液进入膜组件，因为膜后侧处于低压，易挥发组分通过膜后即汽化成蒸气，蒸气用真空泵抽走或用惰性气体吹扫等方法除去，使渗透过程不断进行。原液中各组分通过膜的速率不同，透过膜快的组分就可以从原液中分离出来。膜组件流出的渗余物是纯度较高、透过速率较慢的组分。为了增大过程的推动力、提高组分的渗透通量，一方面要提高料液温度，通常在流程中设预热器；另一方面要降低膜后侧组分的蒸气分压。料液渗透物气体产物渗透蒸发的分离原理膜PV，VP技术优点123“清洁工艺”，本身具有少污染或零污染，适合食品、医药和环保领域应用

蒸馏法难以分离或不能分离的近沸点、恒沸点有机混合物溶液有机溶剂中微量水的脱出、废水中少量有机物污染物分离或水溶液中高价值有机物回收，具有经济上、技术上优势渗透汽化的推动力及实现方法

本质原因料液中各组分在膜中的溶解度和扩散速度存在差异。

分离推动力组分在膜两侧的蒸汽分压差。分压差越大，推动力越大。尽可能提高两侧蒸汽分压差。

实现方法提高膜上游侧蒸汽分压；降低膜下游侧蒸汽分压1抽真空法膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧蒸汽压差。膜组件真空泵原料截留物冷凝器排空能耗大，效率高；真空泵负荷大，且不能回收有价值的渗透物2热渗透汽化通过加热进料液和透过测冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。原料加热器膜组件冷凝器不凝气截留物气-液分离器能耗比抽真空小，分离效率低；缺点是不能有效的保证不凝气从系统排除，实际很少应用3载气吹扫法

用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过组分。吹扫气经冷凝后回收透过组分。载气循环使用。透过组分无回收价值时，将吹扫气放空。载气气液分离器原料膜组件截留物冷凝器4

冷凝加抽真空法膜组件截留物真空泵渗透物原料冷凝器广泛采用的方法不凝气渗透蒸发能耗低高效分离系统适应性高过程无需其他试剂简单、稳定、可靠操作温度低特点分离系数可达几十或上千不受相平衡的限制一般比精馏法节能1/2~1/3，过程中透过物有相变，但因透过物量一般较少，汽化与随后的冷凝所需能量不大。分离作用不受组分汽－液平衡的限制，而主要受组分在膜内渗透速率控制。渗透汽化最适合分离近沸物和恒沸物。可用于热敏性物质的分离产品不会受到污染。渗透汽化膜的应用1.具有一定挥发性的物质的分离——先决条件2.从混合液中分离出少量物质的体系。3.恒沸物的分离。当恒沸液中一种组分的含量较小时，可以直接用渗透汽化法得到纯产品。当恒沸物中两组分含量接近时，可以用渗透汽化与精馏的集成过程。4.精馏难以分离的近沸物的分离。5.与反应过程结合。利用其分离系数高，单极分离效果好的特点，选择性的移走反应产物，促进化学反应的进行。1有机溶剂脱水研究最多、应用最普遍、技术最成熟。已有较多的工业实例。无水乙醇的生产是渗透蒸发脱水的最典型应用。世界上第一套和最大的工业生产装置都是用于无水乙醇的生产。传统制备99.8%以上的无水乙醇，需要采取萃取精馏、加盐精馏，过程复杂、能耗高、易污染。渗透蒸发节能1/2-1/3，避免污染。682异丙醇脱水

除乙醇脱水外渗透蒸发过程的主要应用。异丙醇与水在80.37℃形成共沸物，共沸物含异丙醇87.7%，用于乙醇脱水的膜可直接用于异丙醇脱水，且分离系数会更高。1986年，日本建造第一套渗透蒸发工业装置用于异丙醇脱水，渗透液中异丙醇含量99.7%，产能500千克/小时。3

其他方面的应用⑴果汁的浓缩聚丙烯酸类优先透水膜浓缩果汁、糖浆，优点是可以避免芳香物质的损失，但目前所研究的膜通量还比较小。⑵苯中微量水脱除苯中含水量降至0.005%以下，传统恒沸精馏法能耗高，难以满足要求。渗透蒸发法可达到0.003%以下。⑶酒类饮料中除去乙醇优先透有机物膜，降低啤酒或果酒中的乙醇含量。71精馏与膜分离的耦合膜组件截留物（产品）真空泵渗透物冷凝器不凝气721.7微波技术微波加热原理

微波是指波长从1mm-1m，频率300MHz-300GHz的超高频电磁波，电磁波包括电场和磁场，电场使带电粒子产生作用力并使之迁移或旋转。由于微波中电场以每秒数亿甚至数十亿的频率变换方向，而通常的分子集合体如液体或固体根本跟不上如此快速的方向切换，从而产生摩擦使其自身温度升高。微波加热的特点大量离子存在时能快速加热“内加热”，快速到达反应温度选择性加热分子水平意义下的搅拌73微波技术的应用反应速度快、收率高、产物容易分离、污染下或无污染等优点1986年，加拿大化学家Gedye等发现微波辐射下的4-氰基苯氧离子与氯苄的SN2亲核取得反应可使反应速率提高1240倍有机合成反应催化剂的制备741.8超声波技术超声波的工作原理

超声波是由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播。在功率超声作用下，液体会发生空化，每个空化气泡都是一个“热点”，其寿命约0.1us，它在爆炸时可产生大约4000K和100MPa的局部高温高压环境，从而产生非同寻常的能量效应，并产生速度约110m/s的辐射流。辐射流作用会在界面之间形成强烈的机械搅拌效应，而且这种效应可以突破层流边界层的限制，从而强化界面的化学反应过程和传递过程75超声波技术的应用非均相化学反应的强化超细粉体的制备固液萃取强化吸附与脱附强化结晶过程乳化与破乳膜过程强化超声阻垢761.9反应与精馏耦合77反应蒸馏技术反应蒸馏反应和产品分离结合在同一塔内进行的耦合过程均相反应蒸馏催化蒸馏悬浮催化蒸馏均相催化剂固体催化剂悬浮颗粒催化剂反应与精馏相结合的操作一、主要优点：1.反应产物及时移出反应区提高反应的转化率与选择性（可逆反应）(-rA)，提高生产能力2.利用反应热节省能量3.反应与精馏同在一个设备节省设备投资4.难分离物系获得较纯产品二、反应精馏类型1.精馏促进反应（1）酯化反应精馏不断移去产物生成酯促进原理：可逆反应中：当产物﹥反应物

产物液相蒸除破坏原有平衡反应生成物进行提高单程转化率可逆反应不可逆反应一定程度上A+BC+D相对挥发度实例：沸点：T酯﹤T乙酸、T乙醇

T酯、水、醇

（三元恒沸物）﹤T乙酸、T乙醇

反应精馏不断移去乙酸乙酯（2）连串反应ARSk1k2T1T2a.

S为目的产物如：香豆素生产工艺CHOOH+(CH3CO)2OCHOOCOCH3+CH3COOHCHOOCOCH3催化剂200~2200CC=O+H2O水杨醛水杨醛单乙酯香豆素传统工艺：两个反应分别在两个反应器中进行，收率为65%~75%，反应时间6小时采用反应精馏技术：选择操作压力和反应介质提供反应满足精馏适宜温度、浓度分布反应精馏塔分成三段：CHOOH(CH3CO)2OCH3COOHC=O香豆素生产工艺精馏段：使塔顶馏出合格的醋酸；不让醋酐馏出反应段：保证反应进行完全；并不断蒸馏出醋酸对醋酐提馏，使其不进入塔釜；重排反应在该段进行采用反应精馏后：反应时间缩短为几十分钟，收率提高到85%~95%原因：反应物的不断移出合理的温度浓度分布改变反应平衡、又加快反应速度b.R为目的产物利用反应精馏把产物R尽快移出反应区有效进一步反应避免一般情况下，平行连串反应：（目）反应精馏尽快移去R平衡右移避免R的副反应提高R的收率ACD适用于：挥发性：C>A>B>D反应物分别在接近塔两端加入B特点反应区域较大反应停留时间较长反应收率高如：酯化反应多采用该流程流程A+BC+D2.化学反应促进精馏分离异丙苯钠（IPNa）和二甲苯（Mx、Px）反应对二甲苯分离间二甲苯IPNa+PxIP+PxNaIPNa+MxIP+MxNaPxNa+MxPx+MxNa原理：C8芳烃异构体活性金属金属化作用与C8芳烃异构体进行的金属交换反应迅速金属有机化合物蒸气压很低加入活泼金属的有机化合物(NaKLi)芳烃异构体↗↗选择性流程:对二甲苯异丙苯钠间二甲苯间二甲苯对二甲苯三、其他流程A适用于：若挥发性：C>A进料位置：塔下部或塔釜馏出物为C，塔釜出料很少若挥发性：A>C进料位置：塔上部或塔顶塔釜出产品CACCAC适用于：AC—易挥发D—难挥发CD实现产物与反应物分离产物之间分离适用于：ARS（目）挥发性：R>A>SCRDS减少R在连串反应中的消耗AC+D催化蒸馏——塔内装填催化剂要求：催化剂填充段应置于反应物浓度大的区域异戊烯醚脱醚异戊烯醚异戊烯+醇(1)希望异戊烯尽快离开反应区；(2)异戊烯沸点最低，难于和醚、醇分开需要较长的精馏段(3)沸点高的醇易和其它组分分离需要较短或取消提馏段催化剂装填于塔下部异戊烯醚异戊烯醇苯烷基化丙烯异丙苯苯从C4合成MTBE甲基叔丁基醚希望MTBE(沸点高)迅速离开反应区移走多余甲醇催化剂在中段混合C4甲醇MTBE过量甲醇或异丁烯，C4余液催化剂在上段防止生成二甲醚四、反应精馏的工艺条件1.

加料位置思路：挥发度大反应物和催化剂在塔的下部加入保证各反应物与催化剂充分接触有足够的反应停留时间措施：保证有足够长度的反应段目的：达到充分反应和分离产物2.适宜回流比R3.催化剂均相：催化剂可以与反应物一起或根据相对挥发度大小、反应停留时间要求在进料以上或以下加入塔非均相：将固定床反应器和精馏塔合二为一即装在塔内的固体催化剂：既起催化作用又起精馏调节的作用100RD技术的适应条件反应温度、压力与蒸馏温度、压力相近催化剂要有足够长的寿命反应物和产物的挥发度要有差别可逆反应串连反应101CD酯化过程1.10分离塔之间的耦合102在精馏过程节能中，采用热集成技术可以显著地降低系统的分离费用。然而，在许多实际的分离过程中，由于受过程背景条件以及操作条件等的制约，并不是所有的精馏过程都能实现合理的热集成（如对近沸点的C4混合物的分离）。当分离过程不能采用热集成方案时，设计者往往力图通过改变精馏塔的结构来降低系统的费用消耗。如果塔的结构突破传统的一股进料、两股产品及两个换热器的简单塔结构，则称其为复杂塔（complexcolumn），如多股进料的塔、侧线直接采用产品的塔、含有热偶合的塔等。本节仅简单介绍热偶合精馏塔。研究证明，分离过程中采用复杂精馏方案可以显著降低生产成本，但同时也使流程的设计、控制和操作等方面更加复杂。目前，复杂塔在工业上的应用已非常普遍。在传统的简单精馏塔中，塔内汽液两相流动是靠冷凝器提供液相回流和再沸器提供汽相回流来实现的，这是精馏分离的必要条件，所以一个简单精馏塔必须要有一个冷凝器和一个再沸器。

在设计多个塔（两个以上）时，是否可以考虑：从某个塔内引出一股液相物流直接作为另一塔的塔顶回流，或从某个塔内引出汽相物流直接作为另一塔的汽相回流，这样一来可在某些塔中可避免使用冷凝器或再沸器，从而直接实现热量的偶合。另塔提供液相回流另塔提供汽相回流所谓的热偶合精馏的构想就是在塔间直接通过汽、液互逆流动来进行物料输送和能量传递的流程结构。热偶合精馏塔三产品热偶合精馏塔结构带有侧线精馏的热偶合复杂塔这种塔结构比传统两塔序列有什么优越性？三产品热偶合精馏塔结构带有侧线汽提的热偶合复杂塔产品热偶合精馏塔结构完全热偶合塔(Fullthermallycoupledcolumn)带有预分馏器的三产品精馏塔Dividing-WallColumn(Kaibel,1987)目前，这些节能型塔在工业上的应用并不普遍，但随着过程设计和控制技术的提高，其应用将日趋广泛。热集成概念优化分离过程的换热网络该图是一个分离4个组分的3塔精馏流程，由于分离任务不相同，冷凝器（塔顶汽相产品）和再沸器（加热介质）温度不相同，操作压力不相同，换热器的负荷也不相同。流程中有3冷凝器，采用水冷却，有3个再沸器，可采用不同的加热介质，该流程中存在多个不同温位的换热器，即形成一个换热网络。对于此类分离过程，可考虑采用热集成技术（不同温位换热器热匹配）来降低系统的能耗。应用热集成技术当分离多组分混合物时，相互连接的多个塔由于其所完成的分离任务不同，因而常常在不同的温度和压力下操作。如果能用一个或几个塔的塔顶蒸汽作为一个或几个塔的再沸器的热源，则可以显著地减小公用工程消耗量，从而达到节能的目的。热集成就是这样一个通过匹配不同温位的精馏塔冷凝器和再沸器而形成的换热网络。热集成是实现精馏系统能量优化利用的重要手段，是工业领域最有效的节能方法!举例：假定最小传热温差为10K，该流程能否实现热集成（冷凝器和再沸器热匹配）。如欲得到更大可能的热集成，应采用什么措施？应用热集成技术举例：塔3和塔2可实现热集成。塔3可省去冷凝器，其冷却介质为塔2塔底液体。塔2再沸器不需要外加热量，其热量直接由塔3塔顶蒸汽冷凝提供。采用热集成不仅节约投资费用（省去换热器），同时节约操作费用（塔2不需要外加热量，塔3不需要外加冷却介质）。应用热集成技术举例：提高塔3的操作压力（提高温度），塔3同塔2换热后还可以与塔1换热，公用工程费用显著降低，系统实现更大热集成。T=380K应用热集成技术应用热集成技术说明：（1）如何进行热集成要综合考虑系统全局最优化问题，即要使分离过程的总费用最小。（2）在分离流程中，可行的热集成（热匹配）方案不是唯一的，热匹配的灵活性很大，由热匹配方式的不同而产生的组合数比分离序列本身的组合数要大得多。（3）热集成可以考虑层次优化方法，首先找到好的分离序列，再在分离流程的基础上通过调节和优化塔的操作压力来实现热集成，但该方法不能达到全局最优化。应用热集成技术1.11精馏与结晶的耦合115二、强化传热过程热器（heatexchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。116典型两流程固定管板式管壳式换热器

管壳式换热器

强化壳程的换热的途径有两种：

1、改变壳程挡板或管间支撑物，以减小或消除壳程流动和传热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。

2、改变管子的外形或在管外加翅片，即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热，如螺旋槽管、横纹管、外翅片管等。

在管壳式换热器中与管内的换热相比，壳程的换热往往要弱得多，因此强化壳程的换热就显得很重要。

流动形式换热管结构119折流板的作用：1）作为管子的支撑结构；2）使壳侧流体提高流速并横掠管束，从而强化传热。1）壳侧流动阻力大；2）存在流动死区和折流板孔隙的漏流，使实际传热效果低于理论值；3）引起诱导振动，从而导致管子断裂。不足之处：1）管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使相邻管子经常撞击时，就会使管壁磨损变薄，直至破坏；2）管子与折流板孔壁因振动而不断撞击，从而引起管子破裂；3）振动使管子与管板连接处受到很大的应力，久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏，并造成接头泄漏；4）管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时间连续振动就会导致管子破裂；5）振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷扩展，直至产生裂纹。诱导振动对换热器的损伤主要表现在：减少诱导振动的措施有：1）降低横掠管束的流速；2）提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚度、减少管子跨度等。显然，这两个措施是矛盾的。若要减少管子跨度，就需增加折流板的数目。而折流板的数目增加，又会使横掠管束的流速增加。此时为减小流速，就只有增加壳体的直径，而且流速降低会使换热系数下降。最有效的防止诱导振动的方法是使流体由横掠管束改为纵掠管束。但纵掠管束的换热系数又不如横掠管束。这也是一对矛盾。这也正是新型折流杆管壳式换热产生的背景。诱导振动的减少与防止2.1改进板式支撑结构

双弓形及多弓形折流板螺旋折流板整圆形隔板花隔板

螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状或近似于螺旋状的折流板，折流板与换热器壳体的横断面有一个倾斜角度，从而使流体在壳程沿螺旋通道流动。

将壳程流体由横掠管束改为纵掠管束就能完全消除流动死区并防止管子产生诱导振动。但众所周知流体横掠管束的换热高于纵掠管束。因此为了实现流体纵掠管束并使换热得以强化，就出现了各种整圆形隔板。最初出现的整圆形大孔隔板就是在圆形隔板上钻比管子大的圆孔，既让管子通过，又有足够的间隙让流体通过。这种整圆形隔板制造方便、因流体纵掠管束流动阻力小、可适当提高壳侧流速以增强壳侧的换热；管内外流体亦可布置成全逆流式，以增大传热温差。此外由于管壁与孔板之间的环形间隙对流体可产生射流作用，既增强了传热，又使管壁不易结垢。但采用整圆形大孔隔板不但增大了换热器的直径，而且由于管子缺乏支撑，管束的抗振能力很差。

为了改进整圆形大孔隔板的不足，出现了带小孔的整圆形隔板，即在管孔之间开小孔，使传热流体由小孔通过，这样就不用增大壳体的直径。但带小孔的整圆形隔板管子和管孔之间的间隙很容易结垢，引起腐蚀。为了克服这一缺陷，出现了矩形孔、梅花孔等异形孔的整圆形隔板。当隔板间距为50mm时，梅花孔板的传热系数是矩形孔板的1.5~1.6倍花隔板是在整圆形隔板的基础上提出的一种新型壳侧支撑结构。所谓花隔板是在圆形隔板的四个象限的某一象