为了摆脱传统RDC的局限性, 扩展其应用范围, 前人进行了大量卓有成效的研究。Chen等[1]提出了外部环流反应精馏塔, 通过引入外部环流将未转化的反应物从塔的一端引入到另一端, 实现了TAC的减小, 但最轻/最重反应物在流向塔顶/塔底的过程中流经产物采出的塔板造成了不利的内部物质耦合。2015年, Li等[2]提出了一种带外部环流的反应隔离壁精馏塔, 通过在塔器中间设置隔板, 有效的阻断了反应物流经产品采出塔板的路径, 提高了塔器工作效率。本文基于乙酸和甲醇酯化反应生成乙酸甲酯和水这一典型的具有较不利相对挥发度排序的反应系统, 研究了一种新型的反应隔离壁精馏塔过程设计 (NRDWC) , 并与传统的RDC进行对比。
图1给出了NRDWC的示意图。考虑到A进料为次轻组分, 未反应的A进料在主塔的中部可能达到浓度最大值, 故而在主塔的侧线位置设置一环流并在进料位置与A进料混合。通过将未反应的反应物环流回反应段, 有利于反应操作的正向进行, 从而提高NRDWC的热力学效率, 获得更好的经济性能。
在NRDWC的设计过程中, 年总成本TAC采用Douglas[3]的计算公式, 以TAC为目标函数, 循环优化各个设计变量, 获得TAC最小的NRDWC结构。TAC的值可以表示为:
其中, OC为操作费用, 包括蒸汽、冷却水、催化剂的费用;CI为设备费用, 包括塔板、塔壳和换热器的费用;β为投资回收期, 一般假设为3年。
本文主要研究乙酸与甲醇的酯化反应, 该反应为放热反应, 反应方程式如下:
HAc和Me OH为最重和次轻组分, 产物Me Ac和H2O为最轻和次重组分, 该反应属于典型的具有较不利相对挥发度排序的四元反应体系。
反应物HAc和Me OH的进料流量均为50 kmol/h, 操作压力为101.325 k Pa, 产品Me Ac和H2O的纯度均要求达到98%。为使TAC最小, 预分馏塔应全部设置反应段且其塔板数为43, 公共精馏段塔板数为1, 公共提馏段塔板数为1, 隔板右侧的塔板数为43, Me OH和HAc的进料位置分别为P4和P47板, 环流从主塔第18板采出, 环流流量为2.5 kmol/h, 液相分离比为0.95, 气相分离比为0.97。
对于乙酸和甲醇酯化生成乙酸甲酯和水的反应, 传统RDC最优的结构设计直接取自Chen的文章[1], 传统RDC与NRWDC相比, 虽然CI增加了7.87%, 但是OC减少了6.53%, 总的TAC减少了1.37%, 表明NRDWC的经济性能更优。
以TAC为评价指标, 与传统的反应精馏塔就经济性能进行了比较。结果表明该型反应隔离壁精馏塔与传统反应精馏塔相比具有更低的TAC, 因此, 在分离具有较不利相对挥发度排序的反应体系时, 应该着重考虑NRDWC结构。
摘要：乙酸和甲醇酯化反应生成乙酸甲酯和水是一种典型的具有较不利相对挥发度排序的四元反应体系。以该酯化反应为例, 本文研究了一种新型的反应隔离壁精馏塔设计策略, 通过侧线引出未反应的乙酸和甲醇并环流至进料位置, 使得未反应的反应物得以充分反应, 继而同时提高塔器中反应操作与分离操作的效率。
关键词：反应隔离壁精馏塔,反应精馏塔,较不利相对挥发度排序,过程设计
[1] Chen H S, Huang K J, Zhang L, et al.Reactive distillationcolumns with a top-bottom external recycle[J].Industrial and Engi-neering Chemistry Research, 2012, 51:14473-14488.
[2] 李文业.外部环流反应隔离壁精馏塔的综合与设计[D].北京:北京化工大学信息科学与技术学院, 2015年.
[3] Douglas J M.Conceptual design of chemical processes[M].New York, USA:Mc Graw-Hill Education, 1988:185-198.
