熊小然 郝洋陽(yáng) 馬超 吳晨露（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

乙酸甲醇酯化反應(yīng)的反應(yīng)隔離壁精餾塔設(shè)計(jì)

熊小然 郝洋陽(yáng) 馬超 吳晨露（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

乙酸和甲醇酯化反應(yīng)生成乙酸甲酯和水是一種典型的具有較不利相對(duì)揮發(fā)度排序的四元反應(yīng)體系。以該酯化反應(yīng)為例，本文研究了一種新型的反應(yīng)隔離壁精餾塔設(shè)計(jì)策略，通過側(cè)線引出未反應(yīng)的乙酸和甲醇并環(huán)流至進(jìn)料位置，使得未反應(yīng)的反應(yīng)物得以充分反應(yīng)，繼而同時(shí)提高塔器中反應(yīng)操作與分離操作的效率。

反應(yīng)隔離壁精餾塔；反應(yīng)精餾塔；較不利相對(duì)揮發(fā)度排序；過程設(shè)計(jì)

為了擺脫傳統(tǒng)RDC的局限性，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，前人進(jìn)行了大量卓有成效的研究。Chen等[1]提出了外部環(huán)流反應(yīng)精餾塔，通過引入外部環(huán)流將未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物從塔的一端引入到另一端，實(shí)現(xiàn)了TAC的減小，但最輕/最重反應(yīng)物在流向塔頂/塔底的過程中流經(jīng)產(chǎn)物采出的塔板造成了不利的內(nèi)部物質(zhì)耦合。2015年，Li等[2]提出了一種帶外部環(huán)流的反應(yīng)隔離壁精餾塔，通過在塔器中間設(shè)置隔板，有效的阻斷了反應(yīng)物流經(jīng)產(chǎn)品采出塔板的路徑，提高了塔器工作效率。本文基于乙酸和甲醇酯化反應(yīng)生成乙酸甲酯和水這一典型的具有較不利相對(duì)揮發(fā)度排序的反應(yīng)系統(tǒng)，研究了一種新型的反應(yīng)隔離壁精餾塔過程設(shè)計(jì)（NRDWC），并與傳統(tǒng)的RDC進(jìn)行對(duì)比。

1 NRDWC的設(shè)計(jì)原理

1.1 NRDWC的原理分析

圖1給出了NRDWC的示意圖?？紤]到A進(jìn)料為次輕組分，未反應(yīng)的A進(jìn)料在主塔的中部可能達(dá)到濃度最大值，故而在主塔的側(cè)線位置設(shè)置一環(huán)流并在進(jìn)料位置與A進(jìn)料混合。通過將未反應(yīng)的反應(yīng)物環(huán)流回反應(yīng)段，有利于反應(yīng)操作的正向進(jìn)行，從而提高NRDWC的熱力學(xué)效率，獲得更好的經(jīng)濟(jì)性能。

圖1 NRDWC示意圖Figure 1.A reactive dividing-wall distillation column

1.2 NRDWC的設(shè)計(jì)方法

在NRDWC的設(shè)計(jì)過程中，年總成本TAC采用Douglas[3]的計(jì)算公式，以TAC為目標(biāo)函數(shù)，循環(huán)優(yōu)化各個(gè)設(shè)計(jì)變量，獲得TAC最小的NRDWC結(jié)構(gòu)。TAC的值可以表示為：

其中，OC為操作費(fèi)用，包括蒸汽、冷卻水、催化劑的費(fèi)用；CI為設(shè)備費(fèi)用，包括塔板、塔殼和換熱器的費(fèi)用；β為投資回收期，一般假設(shè)為3年。

2 NRDWC應(yīng)用于乙酸與甲醇的酯化反應(yīng)體系

2.1 問題描述

本文主要研究乙酸與甲醇的酯化反應(yīng)，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

HAc和MeOH為最重和次輕組分，產(chǎn)物MeAc和H2O為最輕和次重組分，該反應(yīng)屬于典型的具有較不利相對(duì)揮發(fā)度排序的四元反應(yīng)體系。

2.2 NRDWC的設(shè)計(jì)

反應(yīng)物HAc和MeOH的進(jìn)料流量均為50 kmol/h，操作壓力為101.325 kPa，產(chǎn)品MeAc和H2O的純度均要求達(dá)到98%。為使TAC最小，預(yù)分餾塔應(yīng)全部設(shè)置反應(yīng)段且其塔板數(shù)為43，公共精餾段塔板數(shù)為1，公共提餾段塔板數(shù)為1，隔板右側(cè)的塔板數(shù)為43，MeOH和HAc的進(jìn)料位置分別為P4和P47板，環(huán)流從主塔第18板采出，環(huán)流流量為2.5 kmol/h，液相分離比為0.95，氣相分離比為0.97。

2.3 傳統(tǒng)RDC與NRDWC的比較與分析

對(duì)于乙酸和甲醇酯化生成乙酸甲酯和水的反應(yīng)，傳統(tǒng)RDC最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接取自Chen的文章[1]，傳統(tǒng)RDC與NRWDC相比，雖然CI增加了7.87%，但是OC減少了6.53%，總的TAC減少了1.37%，表明NRDWC的經(jīng)濟(jì)性能更優(yōu)。

3 結(jié)語

以TAC為評(píng)價(jià)指標(biāo)，與傳統(tǒng)的反應(yīng)精餾塔就經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明該型反應(yīng)隔離壁精餾塔與傳統(tǒng)反應(yīng)精餾塔相比具有更低的TAC，因此，在分離具有較不利相對(duì)揮發(fā)度排序的反應(yīng)體系時(shí)，應(yīng)該著重考慮NRDWC結(jié)構(gòu)。

[1]Chen H S,Huang K J,Zhang L,et al.Reactive distillation columns with a top-bottom external recycle[J].Industrial and Engi?neering Chemistry Research,2012,51:14473-14488.

[2]李文業(yè).外部環(huán)流反應(yīng)隔離壁精餾塔的綜合與設(shè)計(jì)[D].北京:北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2015年.

[3]Douglas J M.Conceptual design of chemical processes[M]. New York,USA:McGraw-Hill Education,1988:185-198.

熊小然（1992-），女，北京化工大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榛み^程系統(tǒng)工程。