复杂反应分离过程的强化——多反应段反应蒸馏塔的设计与控制

复杂反应分离过程的实施常常需要多个反应器与蒸馏塔。如果采用反应蒸馏塔，则需要一个含有多个反应蒸馏塔的系统。虽然，这实现了一定程度的强化设计，但仍有进一步强化的可能。为了促进复杂反应分离过程的强化设计，本课题首次提出了多反应段反应蒸馏塔的概念，并试图给出一个系统性的设计与控制方法。首先，研究多反应段反应蒸馏塔的热力学分析方法，探讨其强化设计的可行性，为系统的综合与设计提供指南。其次，探索各个反应分离过程的相互作用，开发多反应段反应蒸馏塔的综合与设计策略，给出其节省设备投资成本与降低操作能耗的评价。第三，研究多反应段反应蒸馏塔的动态特性及可控性，开发有效的分散控制策略。第四，探讨稳态设计和动态控制的折中策略，进一步提高系统的操作弹性与可控性。最后，试制多反应段反应蒸馏塔的实验装置，研究它的稳态与动态性能。本项目旨在探索多反应段反应蒸馏塔的可行性，为复杂反应分离过程的强化设计提供一种全新的思路。

针对简单的反应分离过程(由单一反应所构成的反应过程，且满足反应物的相对挥发度介于生成物之间这一苛刻条件)，具有单反应段的常规反应蒸馏塔(RDC–SRS)能够同时推进反应与分离操作的进行，并达到提高系统性能的目的；但对于复杂的反应分离过程，由于多步反应的共存以及不利热力学与动力学特性的影响，它却难以达到上述目的，严重限制了其应用范围。为了解决这一难题，本课题组提出了一种多反应段反应蒸馏塔(RDCMRZ)的设计理念，并就其设计与控制问题进行了系统的研究，取得了如下研究成果。.首先，基于热力学与动力学原理，研究了RDCMRZ综合与设计的可行性与有效性问题，首次给出了RDCMRZ的拓扑结构，阐明了多反应段的引入增加了系统设计的自由度，并有助于挖掘内部物质耦合与内部能量耦合潜力的基本原理。.其次，基于RDCMRZ的拓扑结构特点, 给出了一种原理简单且鲁棒性强的综合与设计流程。为了折衷反应操作与分离操作之间的相互作用，提出了采用外部环流、进料分流以及隔离壁等手段强化系统设计的有效策略。对于由多步反应所构成的复杂反应分离过程，通过大量仿真证明了RDCMRZ具有较高的稳态性能，显著优于RDC–SRS。对于由单步反应所构成的复杂反应分离过程(具有最不利或不利相对挥发度的反应分离物系)，提出了一种不利浓度判据，有助于系统的综合与设计，并通过仿真证明了RDCMRZ拥有较高的稳态性能，显著优于RDC–SRS。.再次，针对复杂反应分离过程，研究了RDCMRZ的操作弹性、动态特性与可控性问题，给出了分散控制系统的综合与设计策略，阐明了多反应段的引入有助于协调被控变量之间相互作用的基本原理。外部环流、进料分流以及隔离壁的采用也为改善RDCMRZ的动态特性与可控性提供了调控手段。对于由多步反应所构成的复杂反应分离过程，指出了RDCMRZ的设计与控制具有简单的单调关系，有助于简化系统设计与控制的折衷问题。.最后，针对环己烯/环己烷反应分离物系，系统地研究了RDCMRZ应用的可能性，给出了一种借助于隔离壁的系统设计，显著优于常规的反应蒸馏塔流程。基于此项研究结果，本课题组正在试制一个RDCMRZ的小型实验系统。.综上所述，多反应段的引入使得RDCMRZ不但拥有较高的稳态性能，而且还拥有改善的操作弹性、动态特性与可控性。这一研究结果表明RDCMRZ是一个颇具潜力的强化设计方法，值得进行更进一步的研究。