论文总字数：20298字

摘 要

本文基于gPROMS流程模拟软件，对抽象连串反应体系的带侧反应器的反应精馏过程（简称SRC）进行了模拟优化。论文建立了基于SRC过程数学模型及基于独立反应量的解耦方法，并将所建模型与Aspen自带单元模块用于模拟甲苯光催化生产氯化苄的SRC过程。两者模拟结果表明，本文所建模型与Aspen求解结果吻合，证明自建模型的准确性。此外，本文在热力学性质不变的情况下，考察了反应特征常数ω变化对提馏段塔板数、反应器间隔塔板数、反应器台数等离散变量和反应物通入量以及分配比等连续变量的影响。结果表明，只有在反应能力和分离能力达到完全匹配时，才能使得单位产品的成本费用最小。模拟结果有助于总结连串反应体系SRC过程的一般规律，以及根据给定体系快速匹配相应集成结构参数。

关键词：反应精馏 连串反应 模拟优化 协同作用

Simulation and study of reactive distillation process about consecutive reaction system based on the gPROMS simulation softwre

ABSTRACT

Based on gPROMS process simulation software, the article conducted a simulation and optimization on an abstract consecutive reactive distillation process with side reactors (the SRC).The Paper established a mathematical model and decoupling method based on the independent reaction amount, and the model is used in the production of benzyl chloride by toluene photocatalytic with SRC process.Comparing the results obtained with results calculated by ASPEN own unit module,we can find that the model’s results agree with ASPEN solution results exactly, which proves the accuracy of self-built model. In addition, this paper on the basis of the thermodynamic properties in the same nature, studied the effects of characteristics of the reaction constant changes on the stripping plate number, omega reactor interval plate number, the numbers of reactor and other discrete variables. The intake of reactants , the distribution ratio and other continuous variables are also included. The results show that regardless of any nature changes, only under the conditions that reaction and separation ability can match exactly that makes the cost of per unit product to be the least. Simulation results help to summarize general law of a consecutive reaction system with SRC process and get corresponding integrated structure according to the given system parameters quickly.

Key Words: Reactive distillation; Consecutive reaction;Simulation and optimization; Synergism

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1反应精馏的特点 1

1.2反应精馏适用范围 2

1.3反应精馏技术的工业应用 2

1.4反应精馏的模拟计算 4

1.4.1平衡级模型 4

1.4.2非平衡级模型 5

1.4.3非平衡池模型 5

1.5 塔外反应精馏 6

1.6 本文研究思路与内容 6

第二章 连串反应SRC过程的模拟与优化 7

2.1工艺流程 7

2.2 数学模型 8

2.2.1 反应器模型 8

2.2.2 精馏塔模型 8

2.2.3 焓值计算 9

2.3 模型验证 10

2.4 优化方法 11

2.4.1优化变量的选取 12

2.4.2 目标函数的计算 12

2.4.3 优化步骤 13

第三章 动力学性质变化对连串体系SRC过程的影响 14

3.1 物性数据 14

3.2 基础工况分析 15

3.3 反应特征常数对提馏段塔板数设计的影响 17

3.4 反应特征常数对反应器间隔塔板数设计的影响 21

3.5 反应特征常数对反应器台数设计的影响 22

第四章 结论与展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 文献综述

反应精馏是将化学反应与精馏分离耦合为一体的新的化工过程，是伴有化学反应的新型特殊精馏过程。与传统先反应后分离的操作过程相比，反应精馏可以充分利用反应热将产品快速移出体系，进而提高可逆反应的转化率以及连串反应的选择性，因而受到人们的广泛关注。1921年Backhaus提出反应精馏概念，随后专家学者对其开展了大量的研究工作，从反应精馏应用体系的拓展，到反应精馏塔内部结构设计，再到反应精馏的概念设计，以及近几年对反应精馏的优化算法、能量集成、动态控制等方面均取得了较大的进展^[1]。目前，反应精馏有塔内耦合反应精馏（简称RD）和塔外耦合反应精馏（简称SRC）两种形式^[2]。

1.1反应精馏的特点

使用反应精馏技术将化学反应和传质过程同时实现，首先，传质过程由于化学反应得到强化，除此之外，反应产生的生成物可以经过传质过程移走，从而使反应平衡向产物生成的方向移动，增加了反应的效率。反应精馏有以下优点：

1. 因为精馏过程是伴随着反应过程同步发生的，即可以使反应平衡向着生成产物的方向移动，从而加快了反应速率并且使反应的产率增高。
2. 过程中将反应设备和精馏设备合二为一，不仅节约了成本费，而且可以降低能耗，做到经济节能。
3. 由于合成设备的精馏作用使得反应产物能够迅速离开反应的区域，进而可以使反应物的浓度相对增大，加快反应速度与产率。
4. 若是反应产物运用常规手段很难分离，使用反应精馏技术可以提高产物的分离效率，从而提高产品的纯度。
5. 使用反应精馏技术可以简化化工生产工艺流程^[3] 。

然而塔内反应精馏技术也存在一定的缺点：

1. 反应和精馏必须在同一工况条件下进行。
2. 催化剂装填在反应精馏塔内，装卸和更换不方便。
3. 由于受到反应空间的限制，塔板持液量增加，塔径增大或者溢流堰高度增加。塔径过大，塔底上升蒸汽量增加，能耗增加；溢流堰增高，塔内压降过大，不利于稳态操作^[4]。

1.2反应精馏适用范围

反应精馏技术虽然有常规精馏无法相比的优越性，但是其并不是适用于所有的化工过程。反应精馏技术的使用还受到如下限制。

（1）受到反应物和产物的相对挥发度关系的限制。对于反应精馏体系，必须遵守反应物挥发度介于产物之间，或者反应物挥发度均大于或小于产物挥发度，且反应物和产物挥发度相差较大。

请支付后下载全文，论文总字数：20298字