莫可璋

摘 要：本文綜述了國內(nèi)外精餾從基礎(chǔ)到應(yīng)用的研究概況。從轉(zhuǎn)化率、選擇性、塔內(nèi)溫度、組成分布等方面，分析了精餾與傳統(tǒng)反應(yīng)精餾的等效性，指出精餾的優(yōu)勢在于工況的靈活選擇利于實現(xiàn)反應(yīng)與分離能力的最佳匹配。介紹了精餾在穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化、動態(tài)模擬及控制等方面的研究進展，并從不同工況反應(yīng)與精餾集成技術(shù)的應(yīng)用、便捷的催化劑裝填與反應(yīng)器設(shè)計應(yīng)用兩個角度歸納了該技術(shù)的應(yīng)用進展。最后，從優(yōu)化設(shè)計理論、先進控制方法、能量綜合利用以及強化酶催化反應(yīng)等方面對精餾進一步的研究與應(yīng)用進行展望。

關(guān)鍵詞：過程強化;精餾;過程集成;優(yōu)化設(shè)計;過程控制

0 前言

反應(yīng)精餾（RD）是化學(xué)工業(yè)過程強化技術(shù)的成功典范之一。其將化學(xué)反應(yīng)與精餾分離耦合在同一單元設(shè)備中同時進行，一方面利用精餾促進反應(yīng)進行，提高轉(zhuǎn)化率與選擇性，降低過程能耗，節(jié)省設(shè)備投資;另一方面通過反應(yīng)強化精餾分離，有效利用反應(yīng)熱、提高能量利用率，實現(xiàn)近沸或共沸體系的分離。由于反應(yīng)與精餾在空間上相互獨立，因而呈現(xiàn)出更多的優(yōu)點：①能夠突破傳統(tǒng)反應(yīng)精餾技術(shù)對于工況的限制（例如高壓反應(yīng)與減壓精餾），拓寬應(yīng)用范圍;②反應(yīng)量可以自由調(diào)整，易于實現(xiàn)反應(yīng)能力與分離能力的最佳匹配;③反應(yīng)器與精餾塔可以獨立設(shè)計，催化劑裝填、更換方便，易于工程放大。

1 等效性分析

傳統(tǒng)反應(yīng)精餾過程中，反應(yīng)與精餾在塔板上同時進行，屬于同一空間內(nèi)的連續(xù)耦合，而對于精餾過程，化學(xué)反應(yīng)從塔內(nèi)反應(yīng)塔板轉(zhuǎn)移至塔外側(cè)反應(yīng)器中進行，兩者處于不同空間位置，屬于離散集成。在集成方式具有顯著差異性的情況下，SRC過程與RD過程是否具有等效性，能否達到一致的強化效果，成為SRC過程應(yīng)用首要關(guān)注的問題。對此，研究者們分別從可逆反應(yīng)與連串反應(yīng)兩個角度，對RD過程與SRC過程所能實現(xiàn)的強化效果，即轉(zhuǎn)化率與選擇性，以及兩種集成過程塔內(nèi)的溫度、組成分布進行了探究。Ouni等分別設(shè)計了甲基叔戊基醚（TAME）、異丁烯二聚的RD工藝以及SRC工藝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化側(cè)反應(yīng)器操作參數(shù)，SRC可以達到與RD過程相一致的轉(zhuǎn)化率以及選擇性（TAME生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化率達到90%;異丁烯二聚中，轉(zhuǎn)化率達到99%，選擇性達到95%）。RD過程反應(yīng)與分離的集成，實質(zhì)是質(zhì)量與能量的集成，而非局限于將兩者耦合在同一單元設(shè)備中進行操作，反應(yīng)器與精餾塔離散集成的SRC過程依然可以達到與連續(xù)耦合的RD過程相一致的強化效果。

2 過程設(shè)計與優(yōu)化

2.1 穩(wěn)態(tài)模型與模擬

盡管精餾具有廣泛的應(yīng)用前景，但在技術(shù)開發(fā)初期，需要建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型對集成過程進行可行性分析、設(shè)計優(yōu)化以及經(jīng)濟評估。精餾過程的穩(wěn)態(tài)模型可由兩部分構(gòu)成：精餾塔模型以及反應(yīng)器模型。兩者都有成熟的計算理論與方法，對于精餾塔模型，常規(guī)的平衡級模型、非平衡級模型以及非平衡池模型依舊適用;對于反應(yīng)器模型，則可以根據(jù)反應(yīng)體系，結(jié)合實際動力學(xué)模型與反應(yīng)器類型（全混流反應(yīng)器以及活塞流反應(yīng)器等）進行描述。然而，由于精餾集成過程存在較多循環(huán)流股，且方程非線性程度高，模擬收斂較為困難。對此，有學(xué)者開始研究模型簡化方法以加速收斂，主要包括Murphree板效率改進模型以及獨立反應(yīng)量改進模型。

2.2 優(yōu)化設(shè)計方法

為了充分發(fā)揮精餾集成過程的技術(shù)潛力，需要通過優(yōu)化使其反應(yīng)能力與分離能力達到最佳匹配。精餾集成過程的待優(yōu)化參數(shù)包括精餾段塔板數(shù)、提餾段塔板數(shù)、反應(yīng)器臺數(shù)、反應(yīng)器間隔塔板數(shù)、反應(yīng)體積等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及反應(yīng)溫度與壓力、精餾壓力、進料位置、進料比、回流比等操作參數(shù)。其中，對于采用絕熱側(cè)反應(yīng)器的精餾過程，精餾壓力會直接影響進入側(cè)反應(yīng)器的反應(yīng)液溫度，導(dǎo)致反應(yīng)能力發(fā)生改變，因此精餾壓力的優(yōu)化尤為重要。另外，對于過量反應(yīng)物進料以及多反應(yīng)產(chǎn)物的精餾過程，往往需要通過循環(huán)過量反應(yīng)物或副產(chǎn)物從而提高原料轉(zhuǎn)化率或目標(biāo)產(chǎn)物選擇性，但過高的循環(huán)量會提高操作費用，因此需要通過優(yōu)化獲得最佳循環(huán)量。目前“背包式”反應(yīng)精餾集成過程的優(yōu)化方法主要分為兩類：序貫優(yōu)化法以及混合整數(shù)非線性規(guī)劃法（MINLP）。

2.2.1 序貫優(yōu)化法

序貫優(yōu)化法具有操作簡單、實施方便等優(yōu)點，是目前使用最為廣泛的精餾優(yōu)化設(shè)計方法。但是隨著優(yōu)化變量的增加，該方法計算量會呈現(xiàn)指數(shù)級加大。對此，耦合Powell算法的新型序貫優(yōu)化方法。該方法中，將待優(yōu)化變量分為置于優(yōu)化外層的離散變量以及置于優(yōu)化內(nèi)層的連續(xù)變量，其中外層離散變量采用序貫優(yōu)化法進行迭代優(yōu)化，而內(nèi)層的連續(xù)變量則通過Powell算法進行直接優(yōu)化，能夠有效提高序貫優(yōu)化法優(yōu)化效率。

2.2.2 混合整數(shù)非線性規(guī)劃法（MINLP）

精餾集成過程的待優(yōu)化變量包含連續(xù)變量以及離散變量，并且系統(tǒng)中反應(yīng)動力學(xué)與氣液相平衡（精餾）的耦合表現(xiàn)出強非線性關(guān)系，因此精餾集成過程的優(yōu)化問題實際是一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，優(yōu)化目標(biāo)為考慮設(shè)備投資與操作費用權(quán)衡的年度總成本。但是，側(cè)反應(yīng)器與精餾塔不同的集成方式會呈現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)方案，導(dǎo)致流程具有不確定性，優(yōu)化模型的建立與求解十分困難。目前為止，有關(guān)這方面的研究較少，而現(xiàn)有的優(yōu)化求解算法，從特性上可以分為確定性算法以及隨機算法。隨機算法是近年來新發(fā)展起來的一種優(yōu)化方法，具有高效性、魯棒性等優(yōu)點。由于算法只需提供目標(biāo)函數(shù)值，對于一些未知結(jié)構(gòu)（黑箱模型）的優(yōu)化問題也同樣適用。

3 動態(tài)模擬與控制

3.1 動態(tài)模擬

動態(tài)模擬能夠真實反映裝置生產(chǎn)情況，在擾動響應(yīng)分析、裝置開停車操作優(yōu)化、控制策略設(shè)計以及間歇、半間歇工藝設(shè)計等方面具有重要指導(dǎo)意義?；贖YSYS平臺建立了甲苯氯化“背包式”反應(yīng)精餾的動態(tài)模擬系統(tǒng)，探究了進料配比失調(diào)、回流量過低以及塔釜加熱量不足等故障擾動下的動態(tài)特性，獲得了有效的故障響應(yīng)數(shù)據(jù)，能夠為工業(yè)上集成過程故障診斷提供依據(jù)。間歇精餾集成過程的動態(tài)特性以及參數(shù)影響規(guī)律，表明相比大多傳統(tǒng)間歇反應(yīng)精餾僅僅配置一臺反應(yīng)器，配置多臺側(cè)反應(yīng)器能夠更好地實現(xiàn)反應(yīng)能力與分離能力的最佳匹配。

3.2 控制策略與結(jié)構(gòu)

目前，傳統(tǒng)反應(yīng)精餾過程的控制理論與策略研究每年呈現(xiàn)穩(wěn)步增長，研究領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的比例-積分-微分控制法（PID）逐步發(fā)展到先進的模型預(yù)測控制法（MPC），這些研究也給精餾控制策略的設(shè)計帶來了更多的啟示。針對理想兩產(chǎn)品（兩種反應(yīng)物相對揮發(fā)度處于兩種產(chǎn)物之間）反應(yīng)精餾工藝，通過組合不同的控制變量和操作變量，提出PID控制結(jié)構(gòu)，并進一步對比分析了不同控制結(jié)構(gòu)下的閉環(huán)控制效果，總結(jié)了各個控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點與適用場合。在進料擾動下，恒定加熱量不能有效控制產(chǎn)品質(zhì)量，而控制塔釜組成與控制塔板溫度都能實現(xiàn)良好控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量，但前者引起塔釜溫度波動更小。在精餾生產(chǎn)醋酸甲酯工藝中采用以產(chǎn)品組成調(diào)節(jié)變比值的控制策略，同樣可以實現(xiàn)良好的控制效果。

4 結(jié)語

精餾集成技術(shù)是傳統(tǒng)塔內(nèi)耦合反應(yīng)精餾技術(shù)的進一步拓展，由于反應(yīng)與精餾處于不同空間位置，能夠突破傳統(tǒng)反應(yīng)精餾在工況、設(shè)備等方面的限制，擁有更廣泛的應(yīng)用前景。但是，目前精餾技術(shù)的開發(fā)處于初級階段，未來仍需要進一步加強精餾集成技術(shù)的研究。精餾集成過程是一種新型的過程強化技術(shù)，有效彌補了傳統(tǒng)反應(yīng)精餾的不足。本文分別從等效性分析、過程設(shè)計與優(yōu)化、動態(tài)模擬與控制以及應(yīng)用領(lǐng)域四個方面對精餾集成過程進行了評述，并總結(jié)了今后的主要發(fā)展方向。相信隨著精餾技術(shù)研究的不斷深入，其必將在化工過程強化以及節(jié)能減排領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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