文 献 综 述

引言

反应精馏是将反应和精馏耦合在一个设备中进行操作。在反应精馏中，反应过程和分离过程相互促进，使反应精馏与常规反应再精馏的过程相比有了明显的优越性。反应精馏能够有效提高原料的转化率，增加目标产物的选择性与反应热的利用效率。同时，能够对工艺过程进行简化、降低设备尺寸，节约设备投资，实现化工过程的清洁生产与节能减排。

目前，反应精馏的研究主要集中于反应精馏模型的建立与模拟，对过程的设计与优化以及非线性的动态控制等。反应精馏的设计与优化与传统的精馏过程不同，是一个更为复杂，困难的问题。这个过程中，存在多个待优化的结构参数以及操作参数，比如，总塔板数、反应段位置，精馏段位置，提馏段位置，催化剂装填量，操作压力，回流比大小等。而且，这些变量中不仅存在连续变量，还存在离散变量。这就使得反应精馏问题往往是一个非线性的非凸问题，往往还会带有若干个等式或不等式约束。因此，对反应精馏的设计与优化方法的研究显得极为重要。

1、反应精馏优化算法

1.1 确定性算法优化

Ciric 和 Gu^[1]基于动力学速率方程和MESH方程组首次提出了一种严格的塔板-塔板模型，模型中对于总塔板数的优化，通过一个二进制变量来表示第N块塔板是否存在。将反应精馏的优化问题转化为一个MINLP问题，其中目标函数为年度总花费（TAC），并采用广义Benders分解（GBD）算法在GAMS里进行求解。以环氧乙烷水合反应为例，通过该方法对进料位置做了具体的研究，发现环氧乙烷和水双进料能够实现与环氧乙烷分布式进料相同的效果，只不过在最终花费上前者略高于后者。

Seferlis和Grievink^[2]认为在复杂流程的设计上，如何降低整数变量数量并进而减少计算量十分重要。因此，将正交配置实验方法应用到反应精馏的设计优化上，将整数型设计变量转化为连续型设计变量，通过多段多项式进行拟合，将温度和组成变成塔位置的连续函数。将反应精馏的MINLP优化问题转变成了一个NLP问题。通过灵敏度分析，得到相关变量的响应程度，使参数优化的范围能够进一步缩小，降低计算量。以乙酸和乙醇酯化反应生成乙酸甲酯为例证明了该方法的可行性，并进一步提出，对于组成中浓度较小的组分或者一些惰性组分可以进行忽略，这有利于增强正交配置的稳定性和收敛稳健型。

ackson and Grossmann^[3]提出了一种广义析取规划（GDP）模型，用于反应精馏塔的优化设计。该模型中，对条件塔板进行析取分类，只对选择的塔板运用MESH方程组和动力学方程，即通过一个布尔变量表示条件塔板是否存在，如果该值为真，则该塔板上发生气液平衡与反应，否则，忽略塔板上的气液相流动，并且不发生质量传递，而有进料的塔板则是存在的。通过该模型对总塔板数，反应段位置等操作参数和设计参数进行优化。使用基于逻辑的外部近似（OA）算法进行模型求解，通过简化的NLP子问题和MILP主问题的迭代进行求解，通过NLP子问题的求解为MILP主问题提供线性化。MILP主问题则基于”大M”逼近，用M表示一个大的正常数，以松弛或加强约束。通过该模型对2-戊烯的复分解反应和生产乙二醇的反应精馏进行了验证，结果表明，所提出的方法可以有效地处理这些困难的非线性优化问题。

Jorge M. Goacute;mez^[4]提出了一种MINLP模型用于优化基于非平衡级模型的反应精馏塔。通过非平衡级的速率模型，可以避免考虑塔板效率，并且对塔的相关结构参数进行优化（比如塔径和塔板结构）。非平衡级模型主要包括每个相中的组分质量守恒和能量守恒，以及界面处的质量和能量传递速率方程和界面处的平衡方程。模型中，质量和能量的速率传递系数限制分离效率。质量和能量的速率计算公式又可分为微分和积分模型。对于不存在反应的塔板采用双膜论和质量，热量传递系数计算界面通量（即积分模型）。从优化角度看，积分模型的复杂度介于平衡级模型和微分模型之间，较为合适。求解方法为使用连续二次规划（SQP）求解非线性规划子问题（大部分连续变量），剩余的连续变量和整数变量在MINLP主问题的级别进行优化，采用模拟退火算法。通过该方法能够在得到一个较优解，并且大大降低计算量。