隔離壁反應(yīng)精餾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u28470隔離壁反應(yīng)精餾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 1267081.1隔離壁反應(yīng)精餾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1111431.2隔離壁反應(yīng)精餾技術(shù)研究方法 28955參考文獻(xiàn) 41.1隔離壁反應(yīng)精餾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著隔離壁技術(shù)與反應(yīng)精餾技術(shù)的成功應(yīng)用，人們把目光轉(zhuǎn)向?qū)身?xiàng)技術(shù)結(jié)合的研究方向上來(lái)，由此提出了隔離壁反應(yīng)精餾塔。其基本結(jié)構(gòu)是結(jié)合反應(yīng)的熱力學(xué)特性、反應(yīng)體系類(lèi)別、塔系目標(biāo)等因素，在反應(yīng)蒸餾塔內(nèi)引入隔壁板，將同一設(shè)備內(nèi)部劃分為反應(yīng)區(qū)域和精餾區(qū)域，將反應(yīng)與精餾操作結(jié)合，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可選擇性和創(chuàng)新性。作為一個(gè)較新的研究方向，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員圍繞不同角度展開(kāi)了系列詳細(xì)探索，主要可以分為以下三個(gè)類(lèi)別。一類(lèi)是基于某些特定問(wèn)題或具體方面的反應(yīng)隔壁精餾塔系研究。Delgado-Delgado等人探索了間歇操作模式下隔離壁反應(yīng)精餾塔中乙酸乙酯的生產(chǎn)[35]。Egger和Fieg提出了一項(xiàng)基于經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的隔離壁反應(yīng)精餾塔過(guò)程控制的研究[36]。師麗和Kang等人分別給出了一種新的熱耦合反應(yīng)精餾塔設(shè)計(jì)方法[37,38]。李春利等人提出了共沸-反應(yīng)隔壁塔結(jié)合的結(jié)構(gòu)解決反應(yīng)混合物相對(duì)揮發(fā)度相近難以分離的問(wèn)題[39]。朱超利用過(guò)量進(jìn)料克服不利動(dòng)力學(xué)特性對(duì)反應(yīng)和分離操作的影響[40]。這些研究在整個(gè)塔系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)控制方面給出了拓展思路。一類(lèi)是基于反應(yīng)隔壁塔系結(jié)構(gòu)建設(shè)和節(jié)能原理等方面的數(shù)學(xué)模型研究。Kenig討論了反應(yīng)隔壁體系的數(shù)學(xué)模型[41,42]。Alejski等人描述了一個(gè)動(dòng)態(tài)模型為動(dòng)態(tài)控制的研發(fā)過(guò)程提供了參考[43]。Monroy-Loperena、Bisowarno和Scenna等人提出了具備可行性的精餾塔啟動(dòng)程序并分析了輸入多重性導(dǎo)致的潛在問(wèn)題[44–46]。Reepmeyer等人創(chuàng)新性提出了一種精餾塔“最佳啟動(dòng)時(shí)間”方案[47]。Ruiz等人使用優(yōu)化數(shù)值技術(shù)解決最優(yōu)運(yùn)行策略計(jì)算問(wèn)題[48]。Cervantes和Biegler使用同步動(dòng)態(tài)優(yōu)化公式來(lái)最小化啟動(dòng)蒸餾塔所需的熱量為進(jìn)一步節(jié)約能耗提供技術(shù)支撐[49]。Raghunathan等提出了用于處理不同類(lèi)型模型的建模開(kāi)關(guān)使結(jié)構(gòu)更具備普適性[50]。Chen等創(chuàng)新性提出了增加頂部-底部環(huán)流結(jié)構(gòu)促進(jìn)反應(yīng)操作的有效進(jìn)行[51]。這些研究都為反應(yīng)隔壁精餾優(yōu)勢(shì)的機(jī)理提供有效說(shuō)明，也為該技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)一步與其他技術(shù)相結(jié)合的拓展提供理論依據(jù)。還有一類(lèi)是針對(duì)特定反應(yīng)的隔離壁反應(yīng)精餾體系研究。López-Ramírez等人使用甲醇和油酸在硫酸催化下的酯化反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)油酸甲酯[52]。Ehlers通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究分析了酯交換反應(yīng)[53]。孫蘭義利用Aspenplus進(jìn)行了系列反應(yīng)的模擬研究，給出不同塔系模型并結(jié)合熱力學(xué)效率、投資成本及能耗等方面進(jìn)行分析比較驗(yàn)證隔離壁反應(yīng)技術(shù)可起到節(jié)能減排的作用[54–58]。Sulzer公司運(yùn)用在乙酸甲酯水解過(guò)程不難過(guò)得到相較理想的結(jié)果[59]。這些結(jié)果都證明了反應(yīng)隔壁技術(shù)的有效性和合理性，為將來(lái)擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)范圍和量化投產(chǎn)提供充足的信心和數(shù)據(jù)保障。上述研究成果證實(shí)了隔離壁反應(yīng)精餾技術(shù)是過(guò)程強(qiáng)化領(lǐng)域的重要突破，不僅為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多創(chuàng)新思路且具備一定的可行性，同樣重要的是促進(jìn)大幅度降低投資費(fèi)用和操作能耗是最值得關(guān)注的，這將在化學(xué)工藝的研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域諸多方面提供便利和發(fā)展可能。1.2隔離壁反應(yīng)精餾技術(shù)研究方法目前可用于隔離壁反應(yīng)精餾塔的研究方法總共分為三類(lèi)：實(shí)驗(yàn)法、仿真法和模型構(gòu)建法。實(shí)驗(yàn)法是研究人員結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有意改變或設(shè)計(jì)控制變量，從而了解某一具體反應(yīng)或具體現(xiàn)象的外顯行為，依據(jù)現(xiàn)象和現(xiàn)象之間的因果關(guān)系來(lái)反應(yīng)不同模型與不用變量之間的聯(lián)系機(jī)理，在對(duì)于反應(yīng)精餾塔系當(dāng)中某些問(wèn)題的研究一般采用實(shí)驗(yàn)法，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)變量的控制是十分有利的，能確保所測(cè)試和記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，方便后續(xù)對(duì)結(jié)果的分析。但容易受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境等條件影響出現(xiàn)系統(tǒng)誤差或偶然誤差而誤導(dǎo)分析結(jié)果。在隔壁反應(yīng)精餾塔系研究領(lǐng)域，也有許多圍繞不同類(lèi)別模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)法探索出的研究成果，如動(dòng)力學(xué)模型、催化劑選取、萃取精餾等[60–64]。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)法用于實(shí)際研究的情況整體相對(duì)較少，主要因?yàn)槠浣Y(jié)果雖具備一定的客觀性，但在實(shí)際操作過(guò)程中仍存在目前不可避免的局限性，導(dǎo)致其不具備很強(qiáng)的推廣價(jià)值。使用最多的方法是仿真法。仿真法是研究人員基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，通過(guò)建立一個(gè)模型來(lái)還原系統(tǒng)和流程，依托仿真模型和軟件計(jì)算的結(jié)果表征整個(gè)隔壁反應(yīng)精餾塔系的關(guān)鍵特性和功能，可以快速實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)不同方案之間差異的方法。國(guó)內(nèi)主要使用的化工流程仿真軟件有美國(guó)的PROII、AspenPlus、Hysys、ChemCAD及DesignII，英國(guó)的gPROMS、加拿大的VMGSim，此外還有使用Unity3D構(gòu)建三維交互虛擬仿真系統(tǒng)，幫助更真實(shí)了解塔系操作原理[65]。其中AspenPlus基本上覆蓋了其他各軟件的所有優(yōu)點(diǎn)，具備完善的數(shù)據(jù)庫(kù)和精準(zhǔn)的計(jì)算方法，可以直接通過(guò)該軟件構(gòu)建模型來(lái)實(shí)現(xiàn)流程的系統(tǒng)化和公式化。在實(shí)際操作過(guò)程中不需人工計(jì)算，數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的模塊集成了相應(yīng)算法，且不同模塊算法不同，有簡(jiǎn)捷塔（DSTWU）和嚴(yán)格塔（Radfrac）等，使用者可以依據(jù)自身對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的需求級(jí)別選擇性采用不同類(lèi)型模塊，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)型和操作型模擬。蘇應(yīng)璽等人基于Aspenplus進(jìn)行了在硫回收裝置處于超低負(fù)荷進(jìn)料情形下穩(wěn)定運(yùn)行的模擬，并與實(shí)際情況比較證實(shí)模擬結(jié)果的合理性[66]。陳延貴等人分析了煤-煉化污泥高溫氣化特性，證實(shí)了節(jié)氧效果[67]。Zhang等人設(shè)計(jì)了一種低溫脫硫工藝，并獲得了較為合理的運(yùn)行條件[68]。還有其他在分離操作和工藝優(yōu)化等方面通過(guò)Aspenplus開(kāi)展的系列模擬研究[69–72]。本課題同樣使用Aspenplus進(jìn)行全流程結(jié)構(gòu)搭建，但由于該軟件算法精良，對(duì)于細(xì)微誤差的識(shí)別能力非常精準(zhǔn)，軟件中的精餾塔模塊較少，因此為在使用過(guò)程中避免不必要的重復(fù)性操作，應(yīng)充分了解該軟件的注意事項(xiàng)，具體可分為以下幾點(diǎn)。第一是建立合理流程圖。復(fù)雜的隔離壁反應(yīng)精餾塔模型在Aspenplus中并不能直接創(chuàng)建，而是需要通過(guò)其他精餾塔模型模擬等效結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，這就意味著整個(gè)流程圖中需要利用許多常規(guī)模塊進(jìn)行組合，對(duì)于結(jié)構(gòu)搭建本身以及運(yùn)行測(cè)試來(lái)說(shuō)都具有相當(dāng)難度的挑戰(zhàn)性；第二是嚴(yán)格設(shè)置收斂參數(shù)。軟件模擬過(guò)程判定結(jié)構(gòu)是否合理的標(biāo)志之一是運(yùn)行結(jié)果是否為收斂狀態(tài)。影響收斂的因素有很多，最常見(jiàn)的因素包括收斂迭代計(jì)算方法和操作條件等，多數(shù)結(jié)構(gòu)無(wú)法收斂都是操作條件設(shè)定不合理造成的，其中大多數(shù)精餾塔都會(huì)涉及到的如回流比、采出量、操作壓力、持液量、溫度等；第三是慎重選擇物性方法。物性方法包含了整套針對(duì)物流物理性質(zhì)的計(jì)算方法，通常以液相混合物逸度計(jì)算方法為分類(lèi)方向，以此對(duì)物性方法進(jìn)行分類(lèi)。不同的物性方法所適用的反應(yīng)體系和操作環(huán)境是不同的，會(huì)受到反應(yīng)方式、類(lèi)別、結(jié)構(gòu)模塊等影響，通常來(lái)說(shuō)會(huì)選擇應(yīng)用廣泛和算法完善的物性方法，來(lái)適應(yīng)反應(yīng)操作的引入可能帶來(lái)的諸多隨機(jī)因素。第四是注意合理分析自由變量。自由度表示獨(dú)立對(duì)某一特定塔系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的變量的數(shù)量，在隔離壁反應(yīng)精餾塔的設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的影響。一是在自由度一定的情況下，已知自由變量的數(shù)目會(huì)對(duì)變量間關(guān)系產(chǎn)生影響，決定了能否根據(jù)已知自由變量來(lái)求解未知變量。二是由于隔離壁反應(yīng)精餾塔復(fù)雜的塔系結(jié)構(gòu)，無(wú)論是循環(huán)物流還是隔離壁的引入都會(huì)影響結(jié)構(gòu)原來(lái)的自由度，確定自由度的過(guò)程決定了后續(xù)結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)思路。最后一種常用的方法是模型構(gòu)建法。精餾塔的數(shù)學(xué)模型有平衡級(jí)（理論塔板）和非平衡級(jí)（實(shí)際塔板）兩種形式，數(shù)學(xué)建模方法也分為兩種類(lèi)別。設(shè)計(jì)型表示將給定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算所需結(jié)構(gòu)變量，以此來(lái)獲取精餾塔的數(shù)學(xué)模型；操作型表示已知結(jié)構(gòu)變量計(jì)算操作變量，幫助明確當(dāng)前結(jié)構(gòu)在指定條件下的操作情況，為下一步的優(yōu)化和控制等提供數(shù)據(jù)參考。由于隔壁反應(yīng)精餾模型復(fù)雜的耦合結(jié)構(gòu)，任何元素的細(xì)微變化都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可能帶來(lái)意料之外的變化，且由于設(shè)計(jì)變量太多，單純通過(guò)實(shí)驗(yàn)法或者仿真法來(lái)探尋變化規(guī)律無(wú)疑是巨大的工程，因此通過(guò)模型構(gòu)建可以很好提升過(guò)程效率。最常用的模型構(gòu)建軟件是Mathematica，一般求解流程是首先設(shè)計(jì)和建立好模型框架，結(jié)合自由度進(jìn)行分析，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，最后借助相應(yīng)算法完成數(shù)學(xué)模型最優(yōu)結(jié)果的計(jì)算。Zhang[73]等人通過(guò)數(shù)學(xué)建模方法計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)了一種四級(jí)ME-VMD系統(tǒng)解決返混現(xiàn)象，并有效利用熱交換機(jī)回收蒸汽熱量。劉[74]等人應(yīng)用現(xiàn)代傳質(zhì)理論提出一種超重力精餾塔系內(nèi)組分溫度分布數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的合理性。Lei[75]等人深入總結(jié)了萃取精餾的相關(guān)技術(shù)，其中包含數(shù)學(xué)建模方法。參考文獻(xiàn)[1]李紅海,等.精餾塔設(shè)備的設(shè)計(jì)與節(jié)能研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2014,33(S1):14-18.[2]李洪,等.蒸餾過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2018,37(04):1212-1228.[3]SundmacherK,KienleA.ReactiveDistillation:StatusandFutureDirections[M].Wiley‐VCHVerlagGmbH&Co.KGaA:2002.[4]AgrawalR.SynthesisofDistillationColumnConfigurationsforaMulticomponentSeparation[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,1996,35(4):1059–1071.[5]ZnsenZ,KaibelB,etc.Distillationcolumninternals/configurationsforprocessintensification[J].ChemicalandBiochemicalEngineeringQuarterly,2003,17(4):301-309.[6]AndrzejS.Reactiveseparationsforprocessintensification:anindustrialperspective[J].ChemicalEngineering&Processing:ProcessIntensification,2003,42(3).[7]MalinenI,TanskanenJ.ThermallyCoupledSide-ColumnConfigurationsEnablingDistillationBoundaryCrossing[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,2009,48(13):6372–6386.[8]馬敬環(huán),劉家祺,等.反應(yīng)精餾技術(shù)的進(jìn)展[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2003(01):1–8.[9]裘兆蓉,等.國(guó)內(nèi)外分隔壁精餾塔現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005(01):58–61.[10]劉家祺.分離過(guò)程[M].化學(xué)工業(yè)出版社教材出版中心,2002.[11]高鑫,趙悅,等.反應(yīng)精餾過(guò)程耦合強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究述評(píng)[J].化工學(xué)報(bào),2018,69(01):218–238.[12]凌笑媚,等.隔壁反應(yīng)精餾技術(shù)進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2017,36(08):2776–2786.[13]ChenF,HussRS,MaloneMF,etc.Simulationofkineticeffectsinreactivedistillation[J].Computers&ChemicalEngineering,2000,24(11):2457–2472.[14]GaryP,GarryL,etc.Moreusesforcatalyticdistillation[J].Chemtech,1997,27(5):37–45.[15]王志亮,等.催化反應(yīng)精餾塔及其用途[M].1992.[16]SmithLA.Catalyticdistillation[P],1992.[17]SmithLA.Catalyticdistillationprocessandcatalyst[P],1982.[18]SmithLA.Catalyticdistillationprocess[P],1981.[19]王良恩,劉家祺,等.醋酸甲酯催化精餾水解工藝及其設(shè)備[P].1997.[20]XiaoJ,LiuJQ,LiJ,etc.IncreaseMeOAcconversioninPVAproductionbyreplacingthefixedbedreactorwithacatalyticdistillationcolumn[J].ChemicalEngineeringScience,2001,56(23):6553–6562.[21]KimKJ,RohHD.Reactivedistillationprocessandequipmentfortheproductionofaceticacidandmethanolfrommethylacetatehydrolysis[P],1998.[22]DohertyMF,BuzadG.ReactiveDistillationbyDesign[J].ChemicalEngineeringResearchandDesign,1992,70(A):448-458.[23]DegnanTF.,SmithC.Morris,etc.Alkylationofaromaticswithethyleneandpropylene:recentdevelopmentsincommercialprocesses[J].AppliedCatalysisAGeneral,2001,221(1–2):283–294.[24]ZhangJ,Li