外部环流反应精馏塔的动态特性与控制

发布时间：2020-04-10 12:44

【摘要】：反应精馏将反应操作与分离操作整合到一个操作单元中,与传统的化工流程相比,减小了设备投资,降低了生产成本,使得反应精馏的研究势在必行。然而,在处理最不利相对挥发度序列的反应时,传统反应精馏塔(Conventional reactive distillation column,CRDC)使用的是单股侧线出料的过程配置,以及全回流全回热的工作模式,反应段位于整个精馏塔的底部,反应物从底部和中间进料,这导致了反应操作与分离操作的不协调性,不能对系统进行有效的控制,针对这种情况,可以采用外部环流反应精馏塔(Reactive distillation column with a top-bottom external recycle,RDC-TBER)。在此结构中,未反应的反应物(相对挥发度为最轻和最重,趋向于在RDC-TBER的顶部和底部聚集)通过外部环流返回到反应段发生进一步反应,因此可以大幅提高系统的热力学效率。然而,RDC-TBER相当于对CRDC进行了结构翻新,这导致RDC-TBER的动态特性与控制方案仍然是个未知数,因此,有必要对这一问题进行研究。本课题详细研究了在处理最不利相对挥发度序列的反应时,RDC-TBER的动态特性与控制,尤其关注外部环流对系统的影响。在研究的过程中,要对RDC-TBER进行控制,RDC-TBER共有6个操作变量:1、回流量,2、冷凝器热负荷,3、最重反应物进料流量,4、出料流量,5、再沸器热负荷,6、外部环流流量;前五个操作变量分别控制塔顶液位、塔压、灵敏板浓度、出料浓度、塔底液位,外部环流流量作为操作变量,在本文中提出两种不同的控制方案,分别是:1、外部环流流量采用流量控制,将其固定在稳态值附近;2、外部环流流量控制中间出料产物的浓度。研究表明,通过外部环流的结构,系统的动态特性与可控性相比于CRDC有了明显的提升。本课题分别通过理想四元放热可逆反应和乳酸的酯化反应的仿真实验,验证了外部环流结构对系统动态特性与控制的影响。在相同的扰动情况(进料流量扰动、进料组分扰动、出料浓度扰动)下,RDC-TBER的控制效果要优于CRDC,同时,RDC-TBER中,外部环流流量控制中间出料产物的浓度的控制方案比外部环流流量采用流量控制有更好的控制效果。本文的研究证明了在处理最不利相对挥发度序列的反应上,RDC-TBER对改善系统的动态特性与控制效果十分有效。
【图文】：

反应精馏,环流,反应物

上述ＣＲＤＣ在处理最不利相对挥发度序列的反应的时候，由于反应物之间相对挥逡逑发度差异过大，严重影响反应的进行，为了解决这个问题，我们提出了邋ＲＤＣ－ＴＢＥＲ的逡逑结构１４３］（如图２－ｌｂ）。在ＣＲＤＣ的基础上，增加从顶部到底部的一个外部环流的结构，逡逑这样，ＲＤＣ－ＴＢＥＲ就有四个反应结构：提馏段，精馏段，反应段和外部环流部分。依逡逑然采用底部和反应段最上端塔板进料的方式，但在ＲＤＣ－ＴＢＥＲ的结构中，当最轻的逡逑反应物Ａ在顶部积聚的时候，可以通过外部环流的结构，将在顶部积聚的反应物Ａ重逡逑新引流回底部的反应段当中，相当于直接增加了反应物，同时减少了顶部反应物的积逡逑聚，促进了整个反应向我们需要的方向进行。逡逑与ＣＲＤＣ相比，ＲＤＣ－ＴＢＥＲ增加了一个外部环流的结构，从结构上看，增加外部逡逑环流提取顶部未反应的反应物Ａ的设想是行之有效的，，但是，增加外部环流的结构，逡逑必然会对整个系统的控制结构产生影响

外部环流反应精馏塔的动态特性与控制

图５－２邋ＲＤＣ－ＴＢＥＲ的稳态特性：（ａ）各个组分在每块塔板上的浓度分布，（ｂ）各块塔板上气相和逡逑液相流量，（ｃ）每块塔板上稳态反应速率，（ｄ）系统稳定时每块塔板的温度逡逑Ｆｉｇ．５－２邋Ｔｈｅ邋ｓｔｅａｄｙ邋ｓｔａｔｅ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ＲＤＣ－ＴＢＥＲ：邋（ａ）?
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ053.5

【参考文献】