利用外部环流强化反应蒸馏—系统设计与控制

Owing to their structure limitations, conventional reactive distillation columns (CRDCs) are rarely used for the separations of reacting mixtures with unfavorable thermodynamic properties, confining terribly their applicability and flexibility. To overcome this drawback, we, for the first time, attempt to reinforce their design and control through the arrangements of external recycles. Namely, with reference to the thermodynamic characters of the reacting mixtures separated, the external recycles are employed to intensify internal mass and energy integration, thereby enhancing reaction conversion and reducing capital investment and operating cost, simultaneously. Firstly, thermodynamic analysis should be conducted to elucidate the effect of the external recycles on the CRDCs, which serves to be guidelines for process synthesis and design. Secondly, strategies should be developed for arranging the external recycles in accordance with the thermodynamic characters of the reacting mixtures separated. The synthesis and design of the reactive distillation columns with external recycles (RDCs-ER) are then studied and this enables to evaluate their potentials in abating capital investment and operating cost. Thirdly, the influences of the external recycles on process dynamics and controllability should be analyzed and the strategies for control system synthesis and design should then be worked out with the aim to achieve self-optimizing control in terms of the external recycles. And finally, the compromise between steady-state design and dynamic operation should be explored with the external recycles as potential variables to guarantee operating resilience and controllability of the resultant RDCs-ER. The current study is highly likely to establish a new framework for the design and control of reactive distillation columns and is of great significance to their theoretical and applied studies.

由于结构的局限性，常规反应蒸馏塔难以应用于具有不利热力学特性反应物系的分离，严重限制了其应用范围。为了解决这一难题，本课题组首次提出了利用外部环流强化其设计与控制的全新理念：即根据反应物系的热力学特征，通过外部环流的有效配置强化内部物质与能量耦合，达到提高转化率、节省投资与降低能耗的目的。首先，本课题将进行热力学分析，解明外部环流对反应蒸馏塔的作用，为外部环流反应蒸馏塔的综合与设计提供指南。其次，基于反应物系的热力学特征研究外部环流的配置策略，开发外部环流反应蒸馏塔的综合与设计方法，评价其节省设备投资与降低能耗的潜力。再次，分析外部环流对反应蒸馏塔动态特性与可控性的影响，开发有效的分散控制策略，并通过外部环流实现自优化控制。最后，探讨稳态设计与动态控制的折衷问题，并通过外部环流确保系统的操作弹性与可控性。本课题旨在开创反应蒸馏塔设计与操作的新方法，在理论与应用研究上具有重要的作用与意义。

对于产物为最轻和最重的组分，反应物为中间组分的这类反应物系，常规反应蒸馏塔(CRDC)具有极高的稳态性能，但对于具有其它热力学特性的反应物系，它却并不具有优势，甚至难以实现产物的分离。根本原因在于精馏段/反应段/提馏段这样的串级结构无法克服不利热力学特性的影响。为了解决这一难题，本课题组从改变CRDC拓扑结构出发，首次提出了采用外部环流强化CRDC设计与控制的全新理念，取得了以下研究成果。.首先，针对具有不同热力学特性的各类反应物系，系统性地给出了外部环流反应蒸馏塔(RDC-ER)的最优拓扑结构，并通过理论分析证明了采用外部环流克服CRDC固有缺陷的可行性与有效性。.其次，开发了一种基于启发式搜索方法，原理简单且鲁棒性强的RDC-ER的综合与设计方法，能够充分挖掘反应与分离操作相耦合的潜力。针对具有不同热力学特性的各类反应物系，通过大量仿真分析并验证了RDC-ER比CRDC具有更高的稳态性能。对于具有不利热力学特性的多步化学反应，提出了基于多反应段和隔离壁技术的外部环流设计方法，能够有效地提高RDC-ER的稳态性能。.再次，针对具有不同热力学特性的各类反应物系，系统性地研究了RDC-ER的操作弹性、动态特性与可控性，证明了外部环流不但可以改善过程操作弹性、动态特性和可控性，而且可以作为关键操作变量用以提高系统的动态品质。开发了一种基于Aspen Plus Dynamics的RDC-ER仿真方法，推导了控制结构间相对增益矩阵的关联公式，可用于分散控制系统的综合与设计。对于具有最不利和较不利热力学特性的反应物系，提出了一种基于外部环流折衷过程设计与控制的有效策略。.最后，基于乳酸和甲醇酯化反应设计了一个RDC-ER的小型实验系统，正在推进设备试制的研究工作。.综上所述，外部环流既能提高RDC-ER的稳态性能，又能改善其操作弹性、动态特性和可控性，是一个颇具潜力的过程强化手段，值得进行进一步的研究。