本发明专利技术是过程强化型反应蒸馏塔的设计方法，属于化工过程的设计与制造，涉及提高反应蒸馏塔效率的方法。具体为针对反应蒸馏塔中反应操作和蒸馏操作之间的相互耦合的有效处理问题，提供了过程强化型反应蒸馏塔的设计方法，该方法根据反应热与反应混合物的汽化潜热的比率的三种情形，通过渐进性结构搜索方法和非线性优化方法确定相应强化过程来促进反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合与内部能量耦合，最大幅度地降低系统的设备投资成本和操作费用，具有很高的热力学效率。可应用于化工过程的综合与设计、能源的有效利用以及环境的保护。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及反应蒸馏塔的综合与设计技术，属于化工过程的设计与制造。
技术介绍
反应蒸馏塔已经在化工过程中得到了一定程度的应用。例如已经成功地用在了甲基叔丁基醚(methyl acetate and methyl tertiary butyl ether: MTBE)和醋酸甲酯的生产过程中，既大幅度地提高了生产过程的操作效率，又显著地 降低了设备的投资成本。然而，对于系统的综合与设计，由于反应蒸馏塔包 含了反应操作和蒸馏操作，怎样合理且有效地处理好两者的相互耦合问题却 一直没能得到很好地解决。这一瓶颈问题的存在不但阻碍了反应蒸馏塔优越 性的发挥，而且大大地限制了它的应用范围。目前，反应蒸馏塔的综合与设 计方法可以概括为两种。1. 经验设计法。将反应段简单地安置于精馏段和提馏段之间，然后依据某 个经济指标(例如全部年消耗费用等)进行系统设计。由于不能充分挖 掘反应操作与蒸馏操作的耦合作用，不但造成了操作能量的浪费和提升 了设备投资成本，而且恶化了系统的操作弹性、动态品质和可控性。2. 非线性混合整数规划(Mixed-integer nonlinear programming: MINLP)方 法。它也是依据某个经济指标(例如全部年消耗费用等)进行系统的综 合与设计。虽然比经验设计法能更有效地挖掘反应操作与蒸馏操作的耦 合作用，但由于在事前需要构造系统的超结构，这成为一个非常棘手的 难题。对于非线性优化问题，例如非凸搜索区域或非线性约束方程等， 其全局最优解也难以获得。因此，这种方法的应用前景也受到了强烈的 限制。
技术实现思路
针对传统反应蒸馏塔的设计难以有效地处理其中反应操作和蒸馏操作的 相互耦合问题，本专利技术提供一种新型的， 它利用四种过程强化策略促进反应蒸馏塔中反应操作和蒸馏操作之间的内部 物质耦合和/或内部能量耦合，既回避了繁杂的数学处理，又充分挖掘了系统 的节能潜力，保证了反应蒸馏塔的塔器具有很高的热力学效率。为达到上述目的，本专利技术提供了一种，其特征在于根据反应热与反应混合物的汽化热的比率HR/AHV，其中AHv 为气化潜热、AHk为反应热，将分为三种 情形，有针对性地利用四种过程强化策略来促进反应操作和蒸馏操作之间的 内部物质耦合和/或内部能量耦合。这四种过程强化策略是(l)将反应段向精 馏段内扩展；(2)将反应段向提馏段内扩展；(3)将进料位置向反应段内作有效 移动；(4)将催化剂在反应段中进行有效的分布。情形一对于含有强热效应(AHR/AHv〉1.0)的反应蒸馏塔，分为两种情况1) 对于吸热反应，(l)将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段 的最后一块塔板至塔的顶端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确 定；(2)将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移 至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(3) 保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与精馏段的重叠部分进行 重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。2) 对于放热反应，(l)将反应段向提馏段内扩展，扩展范围可从提馏段 的第一块塔板至塔的底端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确 定；(2)将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移 至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(3) 保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与提馏段的重叠部分进行 重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。情形二对于含有中等热效应(0.05^AHR/AHv^l.0)的反应蒸馏塔，(l)将反 应段向精馏段内扩展,扩展范围可从精馏段的最后一块塔板至塔的顶 端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(2)将反应段向提馏 段内扩展，扩展范围可从提熘段的第一块塔板至塔的底端，而具体位 置通过渐进性结构搜索方法确定；(3)将进料位置向反应段内移动， 移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐 进性结构搜索方法确定；(4)保持催化剂的总量不变，将催化剂在反 应段与提馏段以及反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布，具体分 布通过非线性优化方法确定。情形三对于含有少量或完全不含有热效应(O S AHR/AHV < 0.05)的反应蒸馏 塔，(l)将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段的最后一块 塔板至塔的顶端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(2)将 反应段向提馏段内扩展，扩展范围可从提馏段的第一块塔板至塔的底 端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(3)将进料位置向反 应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具 体位置通过渐进性结构搜索方法确定；(4)保持催化剂的总量不变， 将催化剂在反应段与提馏段以及反应段与精馏段的重叠部分进行重 点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。 当反应蒸馏塔含有强热效应(AHR/AHv〉 l.O)时，过程强化只需要通过反 应操作和蒸馏操作的内部能量耦合来实现，此时反应操作和蒸馏操作的内部 物质耦合作用可以忽略。当反应蒸馏塔含有中等热效应(0.05^AHR/AHv^1.0) 时，过程强化不仅需要通过反应操作和蒸馏操作的内部能量耦合，还要通过 反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合来实现，这就需要进行二者的相互折中。 当反应蒸馏塔含有少量或完全不含有热效应(O ￡ AHR/AHv < 0.05)时，过程强 化只需要通过反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合来实现，此时反应操作和 蒸馏操作的内部能量耦合作用可以忽略。对于不同类型的反应蒸馏塔，有针 对性地利用四种过程强化策略来促进反应蒸馏塔中反应操作和蒸馏操作之间 的内部物质耦合和/或内部能量耦合，这四种过程强化策略是(l)将反应段向精 镏段内扩展，扩展的范围可以从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端；(2)将反 应段向提馏段内扩展，扩展的范围可以从提馏段的第一块塔板至塔的底端；(3) 将进料位置向反应段内作有效移动，移动的范围可以从反应段的一端移至反 应段的另一端；(4)保持催化剂的总量不变，而将催化剂在反应段与提馏段以 及反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下的有益效果。(1) 利用本专利技术，由于最大限度地强化了反应操作和蒸馏操作的内部物 质耦合与内部能量耦合的作用，因而能够大大提高反应蒸馏塔的热力学效率。(2) 利用本专利技术，由于最大限度地强化了反应操作和蒸馏操作的内部物 质耦合与内部能量耦合的作用，因而能够提高反应的转化率和选择性。(3) 利用本专利技术，由于最大限度地强化了反应操作和蒸馏操作的内部物质耦合与内部能量耦合的作用，因而能够进一步降低反应蒸馏塔的设备投资 成本。(4) 利用本专利技术，由于内部物质耦合与内部能量耦合作用的强化协调了 反应操作和蒸馏操作的相互作用，因而能够改善反应蒸馏塔的操作弹性、动 态特性和可控性。附图说明图1为本专利技术提供的反应蒸馏塔的过程强化的综合与设计步骤； 图2为传统反应蒸馏塔的塔器(情形I);图3为本专利技术实施后得到的过程强化型反应蒸馏塔的塔器(情形I); 图4为传统反应蒸馏塔的塔器(情形II);图5为本专利技术实施后得到的过程强化型反应蒸馏塔的塔器(情形II); 图6为传统反应蒸馏塔的塔器(情形III);图7为本专利技术实施后得到的过程强本文档来自技高网...
【技术保护点】
过程强化型反应蒸馏塔的设计方法，包括根据反应热与反应混合物的汽化潜热的比率的三种情形，反应热与反应混合物的汽化潜热的比率为ΔＨ↓［Ｒ］／ΔＨ↓［Ｖ］，其中ΔＨ↓［Ｖ］为气化潜热、ΔＨ↓［Ｒ］为反应热，其特征在于： 情形一：对于含有强热 效应（ΔＨ↓［Ｒ］／ΔＨ↓［Ｖ］＞１．０）的反应蒸馏塔，分为两种情况： １）对于吸热反应，（１）将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（２）将进料位置向反应段内移动， 移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（３）保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。 ２）对于放热反应，（１）将反应段向提馏段内 扩展，扩展范围可从提馏段的第一块塔板至塔的底端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（２）将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（３）保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与提馏段的重叠部分进行重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。 情形二：对于含有中等热效应（０．０５≤ΔＨ↓［Ｒ］／ΔＨ↓［Ｖ］≤１．０）的反应蒸馏塔，（１）将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端，而 具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（２）将反应段向提馏段内扩展，扩展范围可从提馏段的第一块塔板至塔的底端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（３）将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（４）保持催化剂的总量不变，将催化剂在反应段与提馏段以及反应段与精馏段的重叠部分进行重点分布，具体分布通过非线性优化方法确定。 情形三：对于含有少量或完全不含有热效应（０≤ΔＨ↓［Ｒ］／ΔＨ↓［Ｖ］＜０．０５）的反 应蒸馏塔，（１）将反应段向精馏段内扩展，扩展范围可从精馏段的最后一块塔板至塔的顶端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（２）将反应段向提馏段内扩展，扩展范围可从提馏段的第一块塔板至塔的底端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（３）将进料位置向反应段内移动，移动范围可从反应段的一端移至反应段的另一端，而具体位置通过渐进性结构搜索方法确定；（４）保持催化剂的总...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄克谨，王韶锋，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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