反应隔离壁蒸馏塔：反应物过量系统的设计与控制

With potentially plenty of topological structures for integrating reaction operation and separation operation and flexible alternatives for recycling unconverted reactants, reactive dividing-wall distillation columns (R-DWDCs) appear to be especially suitable for enhancing reaction conversion and selectivity with the use of excessive reactants. Currently, the relevant studies were restricted to the separations of specific reacting mixtures with specific topological structures and they were unlikely to reveal the true potentials of the R-DWDC and its inherent characteristics for lowering capital investment and operating cost. In the current study, the philosophies for the design and control of the R-DWDC with excessive reactants are to be explored in great detail. Firstly, the shortcut and rigorous methods for the synthesis and design of the R-DWDC are to be developed. In terms of the separations of reacting mixtures with low reaction velocity and/or low conversion rate, process synthesis and design are then studied to assess the potentials of the R-DWDC. Secondly, in terms of the separations of reacting mixtures with low selectivity, process synthesis and design are to be studied to assess the potentials of the R-DWDC. Thirdly, in terms of the separations of reacting mixtures with low reaction velocity, low conversion rate, and low selectivity, process synthesis and design are to be studied to assess the potentials of the R-DWDC. Finally, process dynamics and controllability are to be studied, followed by the derivations of strategies for the compromise between steady-state and dynamic behaviors and the synthesis and design of decentralized control systems. The current project attempts to reveal the feasibility and effectiveness for the design and control of the R-DWDC with excessive reactants and render systematic guidelines for the intensification of complicated reaction-separation processes.

反应隔离壁蒸馏塔(R-DWDC)，既有丰富的拓扑结构以耦合反应与分离操作又有灵活的方式安排未反应物的循环，适合于应用反应物过量技术克服不利动力学特性的影响。当前R-DWDC的研究仅限于特定的结构与物系，难以揭示其内在特点与潜力，本课题将深入研究其反应物过量系统的设计与控制技术。首先，研发R-DWDC的简化与精确设计方法，并针对具有低反应速率与/或低转化率的化学反应物系，系统地研究R-DWDC的综合与设计策略。其次，针对具有低选择性的化学反应物系，系统地研究R-DWDC的综合与设计策略。再次，针对具有低反应速率、低转化率以及低选择性的化学反应物系，系统地研究R-DWDC的综合与设计策略。最后，研究R-DWDC的动态特性与可控性问题，探讨稳态设计与动态控制的折衷方法并给出有效的分散控制策略。本课题旨在阐明反应物过量的R-DWDC设计与控制的可行性与有效性，为复杂反应分离过程的强化设计提供指南。

反应物过量技术虽能够克服常规反应蒸馏塔(CRDC)分离具有不利动力学特性与/或不利热力学特性反应混合物的缺陷，但却导致CRDC后接1~2个常规蒸馏塔(CDC)的多塔体系，难以最大限度进行过程强化并提高系统的稳态性能。为了解决这一难题，本课题组提出了利用隔离壁技术来强化CRDC的设计与控制这一命题，不但能够充分考虑反应操作与分离操作之间的相互耦合，而且可以有效促进反应操作与分离操作以及分离操作与分离操作之间的相互协调。本课题研究取得了以下主要成果：. 首先，针对具有低反应速率、低转化率、低选择性等不利动力学特性与/或不利热力学特性的各类反应物系，给出了一种通用的反应隔离壁蒸馏塔(R-DWDC)的最优拓扑结构的推导原理，不依赖于CRDC多塔体系的具体结构，具有较高的鲁棒性，能够从根本上确保反应与分离操作以及分离与分离操作之间的最佳耦合与协调。. 其次，根据上述R-DWDC最优拓扑结构的特点，开发了一种单变量启发式的搜索方法, 并由此形成了一种基于R-DWDC简化与精确结构的序贯综合与设计策略，具有原理简单、计算强度低和鲁棒性高等特点。. 再次，针对具有低反应速率、低转化率、低选择性等不利动力学特性与/或不利热力学特性的各类化学反应物系，采用Matlab、Aspen Plus和Aspen Plus Dynamics等商用软件进行了深入的研究与分析，所得结果均证明R-DWDC比CRDC多塔体系具有更高的稳态性能。. 最后，针对具有低反应速率、低转化率、低选择性等不利动力学特性与/或不利热力学特性的各类化学反应物系，开发了一种基于Matlab和Aspen Plus Dynamics的R-DWDC动态仿真软件。针对具有低反应速率、低转化率、低选择性等不利动力学特性与/或不利热力学特性的各类化学反应物系，给出了R-DWDC分散控制系统的综合与设计策略，并通过大量仿真证明了R-DWDC能够给出令人满意的闭环控制品质。. 综上所述，基于反应物过量技术的R-DWDC能够克服被分离反应物系的不利动力学特性与/或不利热力学特性的影响，既能提高系统的稳态性能，又能具有令人满意的闭环控制品质。它是一个颇具潜力的过程强化手段，值得进行更进一步的研究。