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“背包式”反应精馏优化理论和应用研究

徐骏  
【摘要】:甲苯光氯化制取氯化苄是一典型的以中间产物为目标产物的连串反应体系,其原料甲苯与产品氯化苄的沸点差达到69℃之多,采用反应精馏技术对于提高甲苯转化率和氯化苄选择性是十分必要也是完全可行的。利用板式塔进行反应精馏生产氯化苄前人已有研究,但是由于受限于没有足够的反应空间,单套工业化装置的生产能力仅为1000t/a左右。本文拟寻求一种适合该体系的新型反应精馏装置,以大幅度提高单套装置的生产能力,实现氯化苄生产装置的大型化;同时进行该新型反应精馏耦合装置的相关理论研究,建立过程模拟与优化设计的新方法,从而从理论和工程应用两个方面解决反应精馏装置大型化问题。 反应精馏装置结构多种多样,催化剂装填方式以及塔板结构也是千变万化。而对于甲苯光氯化制取氯化苄反应过程,提供足够的光催化反应空间,是实现装置规模大型化的关键,对塔板的结构则没有过多的要求,而本文所建立的“背包式”反应精馏装置很容易满足这样的要求。 “背包式”反应精馏装置将原本在塔内发生的反应移到了塔外进行,从严格意义上说反应和精馏不在同一空间进行,但塔内与塔外反应器存在着流体质量交换,可以看成是传统反应精馏装置的一种拓展模式,当反应器个数很多时这样的装置将与传统装置趋于统一。由于“背包式”反应精馏装置与传统装置存在差异,关于其模型与模拟以及优化设计等理论研究鲜见报道。 本文首先建立了甲苯光氯化“背包式”反应精馏过程数学模型、模拟和优化设计方法。模型包含精馏塔和反应器的物料平衡、热量平衡以及体系的气液平衡和反应动力学方程,由于精馏塔和反应器相对独立,模拟和优化设计可以在各自独立计算的基础上,由相互间流体交换的量、组成和状态体现精馏与反应的偶联关系。采用牛顿—拉夫森法对模型进行求解。 对于甲苯光氯化“背包式”反应精馏过程,反应量由通入反应器的氯气量所决定,而通氯量可以独立控制,因此可称为具有独立反应量的反应精馏过程。本文提出了反应能力与分离能力相互匹配是反应精馏过程优化关键的观点,建立了具有独立反应量反应精馏过程优化设计方法和步骤,即在一定的精馏塔分


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