不同工况反应与精馏集成过程的协同效应与能量利用研究

For a traditional reactive distillation column, where reaction and separation are integrated in a single unit, the operation conditions of reaction and separation must be kept consistent and harmonious. While for the distillation column coupled with side reactors (SRC), the operation conditions for reaction and separation can be set independently, which further widens its application. With the optimization design methods based on the independent reaction amount, the synergistic effect between reaction and separation for the SRC process especially under different operating conditions, and the inherent relation between mass transfer & energy exchange and the system energy efficiency are to be explored firstly in this item. And then a rapid and scientific design criteria is given based on the established quantitative effect relationship of thermodynamics properties and reaction kinetics on the configuration structure. Moreover, the comprehensive utilization manners of the multi-grade energy due to the reaction heat or operation conditions differences between reaction and separation will be investigated to achieve the optimum energy utilization efficiency. The benzyl chloride producting process with atmospheric reaction & vacuum distillation integrated technology is applied to test the effectiveness of the proposed theories and methods in the item. On the basis, the pressurized reaction and vacuum distillation integrated technology will be applied to exploite a novel technological process which ethylene oxide and water react to product the ethylene glycol.The above research will not only enrich and improve the design theory of the reactive distillation process, but also have significant effect to promote the application of the reactive distillation integrated technology with different operating conditions.

传统的反应精馏集成过程在单一精馏塔中进行，要求反应与分离条件一致。本项目研究一种由外部反应器和精馏塔耦合而成的新型反应与精馏集成过程，反应与分离可以在不同工况下进行，拓宽了反应精馏的应用范围。本项目采用基于独立反应量的反应精馏优化设计方法，探明不同工况反应与精馏集成过程的反应与分离协同效应，以及能量/质量交换集成结构方式与系统能效之间有机联系。依据热力学性质和动力学性质与集成结构的定量关系，给出集成过程的快速设计准则，提出反应热和工况差异产生的多品级能量梯级和综合利用模式，实现不同工况反应精馏集成过程的最优能量利用。在常压反应与减压精馏集成的甲苯氯化过程上，对项目提出的理论与方法进行实验验证，并开展加压反应与减压精馏集成技术在环氧乙烷水合生产乙二醇过程的新工艺研究。上述研究对完善和丰富反应精馏过程设计理论体系，促进不同工况反应与精馏集成技术的科学设计和推广应用具有重要价值。

反应精馏可以提高可逆和连串反应的转化率与目标产物选择性、节约能耗、降低投资。然而，传统反应精馏（RD）集成过程在单一精馏塔中进行，要求反应与分离条件一致，限制了反应精馏技术的应用范围。本项目研究一种由外部反应器和精馏塔耦合而成的新型反应与精馏集成过程（SRC），反应与分离可以在不同工况下进行，大大拓宽了反应精馏的应用范围。. 本项目建立了带侧反应器的反应精馏过程SRC的数学模型，采用基于独立反应量的反应精馏优化设计方法获得最佳的集成结构参数和过程操作参数，使反应能力与分离能力达到最佳匹配。以甲苯氯化生产氯化苄反应为对象，验证了SRC和RD两种集成方式是一致的，并且常压反应-减压精馏的不同工况反应精馏集成过程比相同工况的生产能力提高60%以上。进一步针对一般的连串反应和可逆反应体系，研究了相对挥发度和反应速率常数等分离和反应特性参数对SRC过程的影响，归纳“体系性质-集成结构”的关系，初步建立了不同工况反应精馏集成过程的快速设计准则。. 本项目针对较低温度反应-较高温度精馏集成生产羧酸叔丁酯过程，开发了具有内部工艺换热网络；针对常压反应-减压精馏集成生产氯化苄过程，设计了（CSRRT）、多效反应精馏（MERD）和多效透热反应精馏（MEDRD）3种能量综合利用模式，MERD和MEDRD与两段常压反应-减压精馏（CSRRT）过程相比，塔釜总再沸器热负荷分别降低16.8%和33.7%。实现了不同工况反应精馏集成过程的多品级能量综合利用，使得SRC过程的能量集成更具潜力。. 本项目建立了常压反应-减压精馏、加压反应-减压精馏、较低温度反应-较高温度精馏、常压反应-常压精馏等不同工况和相同工况反应精馏集成过程，在一系列烯烃加成反应、有机氯化反应和水解反应中得到应用，建设了二氯乙烷氯化生产四氯乙烷和五氯乙烷、苯氯化生产氯化苯的千吨级中试装置，优化设计结果与中试结果吻合良好。项目研究成果丰富了反应精馏过程设计理论体系，促进不同工况反应与精馏集成技术的推广应用。