反应精馏过程耦合强化技术基础与应用研究述评

反应精馏技术是过程强化概念在化学工业成功应用的典范。由于反应与精馏耦合的高度复杂性和非线性,反应-精馏相互影响机制、耦合方式及其过程能效调控与优化成为制约该技术广泛应用的关键科学问题。综述了近二十年来国内外反应精馏技术从基础研究到工业应用的概况,包括反应精馏过程的可行性分析与概念设计方法、稳态模拟过程优化与动态模拟控制策略设计、兼具催化反应与气液传质的高效内构件开发以及反应精馏在各领域的应用。探讨了目前制约反应精馏广泛应用关键问题的解决方法与途径,阐明了普适性的反应精馏过程开发方法,总结了基于反应精馏过程耦合的新型过程强化技术,指出了反应精馏技术的发展趋势。     

反应精馏过程模拟研究进展

对均相反应精馏和非均相催化精馏过程的各种模拟计算方法进行了评述，分析了各种算法的优缺点和适用范围，指明了目前研究中存在的不足和今后的发展方向。     

反应精馏研究进展及应用前景

对反应精馏技术在工艺和模拟方面的研究进展进行了概述 ,简单介绍了反应精馏的关键技术并对反应精馏的应用前景进行了展望。     

醚化反应精馏研究进展

醚化反应是生产燃油添加剂这一关系国计民生重要化工产品的关键途径,反应精馏是其生产的核心技术。对醚化反应精馏技术进行总结和回顾,既有利于推进反应精馏基础理论的发展,也可促进醚化产品生产技术的升级。本文全面系统地介绍了生产甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、甲基叔戊基醚、乙基叔戊基醚和二甲醚这几种燃油添加剂的反应精馏技术研究进展,涉及基础研究和工业应用,包括反应原料选择、工艺系统开发和多稳态现象调控,分析了不同反应路径和工艺系统的优缺点,总结了反应精馏多稳态研究的基本问题和结论。展望了反应精馏技术在聚甲氧基二甲醚合成和甘油、5-羟甲基糠醛、糠醇等生物质平台化合物制备新型醚类化合物的应用前景和挑战。指出了醚化反应精馏技术在工艺系统开发和催化填料设计方面存在的核心共性问题,并提出了相应的解决方案。     

国内催化精馏技术研究进展及应用

介绍了国内催化精馏技术在催化精馏塔、催化剂和数学模型方面的研究进展及其工业应用情况。     

反应精馏工艺流程的合成

反应精馏工艺是近年来倍受重视的研究领域之一,但反应精馏工艺流程的选择目前仍然靠人们的经验和实验探索．本文通过对传统化工工艺流程的理论分析,阐明了传统工艺流程与反应精馏工艺流程的相互关系,从而提出了一种反应精馏工艺流程的构成方法．     

反应精馏技术研究进展

反应精馏作为一种新型特殊精馏,因其独特的优势而在化学工业中日益受到重视.本文简要介绍了其基本原理、特点以及分类,重点阐述了国内外反应精馏的模拟和应用研究进展,展望了反应精馏技术的发展方向.     

循环精馏技术研究进展

在“碳中和”“碳达峰”的战略目标下,过程强化是实现绿色生产的关键技术之一。循环精馏作为一种基于过程强化理论的新型精馏技术,通过采用特定塔内构件和控制方案而改变传统精馏塔内气相和液相的流动方式,实现气液两相分别呈周期性独立运动SPM的操作模式。循环精馏技术理论上可实现塔内液相返混为零,使分离推动力最大化,具有处理能力大、能耗低及分离性能好等优点。相较传统精馏操作,循环精馏技术可使单板效率提高到140%～300%,能耗降低20%～30%。本文针对循环精馏技术的研究背景、工作原理、工业应用、两种专用塔板（Maleta塔板和COPS塔板）以及循环精馏技术在隔板塔和反应精馏等过程强化技术中的应用进行了综合论述。论文对循环精馏技术的控制方法和内构件研究中存在的问题进行了总结,并对循环精馏技术的发展方向和前景进行了展望。     

反应精馏技术的研究进展

针对国内外反应精馏技术及其应用的最新研究情况,较全面地归纳和分析了反应精馏工艺的研究进展,并介绍了SYNTHESISER、ASPEN PLUS等计算机模拟软件在反应精馏工艺的应用情况。     

Design and optimization of reactive distillation: a review

Reactive distillation process, a representative process intensification technology, has been widely applied in the chemical industry. However, due to the strong interaction between reaction and separation, the extension of reactive distillation technology is restricted by the difficulties in process analysis and design. To overcome this problem, the design and optimization of reactive distillation have been widely studied and illustrated for plenty of reactive mixtures over the past three decades. These design and optimization methods of the reactive distillation process are classified into three categories: graphical, optimization-based, and evolutionary/heuristic methods. The primary objective of this article is to provide an up-to-date review of the existing design and optimization methods. Desired and output information, advantages and limitations of each method are stated, the modification and development for original methodologies are also reviewed. Perspectives on future research on the design and optimization of reactive distillation method are proposed for further research.     

Inter-integration reactive distillation with vapor permeation for ethyl levulinate production: Equipment development and experimental validating

Ethyl levulinate, one of the main derivatives of levulinic acid (LA), is of significant potential as platform chemicals for bio-based materials. The esterification of LA was generally carried out in a conventional batch reactor or in a conventional reactive distillation column. However, traditional methods are hard to deal with equilibrium limited reactions and azeotropic issues. Therefore, the inter-integration reactive distillation with vapor permeation (R-VP-D) process, which integrated reaction, vapor permeation, and distillation into one single unit, is proposed in this paper and validated in the pilot-scale experiments. A comparative study is made between a pilot-scale RD column with and without VP module. Owing to the water-selective VP membrane and the ingenious design of related apparatuses, the R-VP-D process reveal a superiority in LA conversion of 21.9% maximum higher than RD without VP process and removing of product water about 53.6% from VP module, which indicates its promising industrial application in process intensification field.     

Enhancing mass and energy integration by external recycle in reactive distillation columns

The synthesis and design of reactive distillation columns separating reacting mixtures with the most unfavorable relative volatilities (i.e., the reactants are the heaviest and lightest components with the products being the intermediate ones) are described. The unfavorable thermodynamics poses great difficulties in combining the reaction operation and the separation operation involved and limits severely the potential of reactive distillation columns in the reduction of capital investment (CI) and operating cost. To remove the limitation, we propose two strategies for facilitating the synthesis and design of this kind of reactive distillation columns in this article. One is to arrange prudentially the reactive section so as to strengthen internal energy integration between the reaction operation and the separation operation involved; that is, while the reactive section should be placed at the bottom of the reactive distillation columns separating exothermic reactions, it should be at the top of the reactive distillation columns separating endothermic reactions. The other is to introduce an external recycle flow between the two ends of the reactive distillation columns to reinforce internal mass integration and internal energy integration between the reaction operation and the separation operation involved; that is, whereas the external recycle flow should be directed from the top to bottom of the reactive distillation columns separating exothermic reactions, it should be from the bottom to top of the reactive distillation columns separating endothermic reactions. Separation of four hypothetical ideal (i.e., two quaternary and two ternary systems, respectively) and two real nonideal (i.e., two quaternary systems) reacting mixtures is chosen to evaluate the proposed strategies. The results show that they can considerably lower energy requirement besides a further reduction in CI. © 2012 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 59: 2015–2032, 2013     

一种通用的反应蒸馏塔综合与设计方法

反应精馏是反应过程和分离过程耦合为一体的单元操作,已成为当今研究的重要领域。然而,到目前为止并没有一套通用简便的方法去指导反应精馏过程的综合与设计,严重限制了它的广泛应用。本文在过程强化原理的基础上提出了一种反应蒸馏塔通用的综合与设计方法,并利用2种反应蒸馏系统来评价所提出的设计策略。结果表明,该综合设计方法可以简便高效地搜索出反应蒸馏塔的最优结构,适用于不同类型的反应蒸馏塔的综合与设计。     

蒸馏过程强化技术研究进展

蒸馏过程强化技术作为我国现代化学工业发展的重要研究领域,是过程强化概念在化学工业成功应用的典范之一。随着近些年的发展,蒸馏过程强化技术的研究已形成了一套较完整的体系,但也出现了一系列新的难题与挑战。为此,本文针对混合物相对挥发度与气液传质两个蒸馏过程强化的基础理论本质问题,以基础理论创新、关键技术突破和关键装备研究进展为主线,从强化原理、研究进展、工业应用及发展3方面系统介绍共沸蒸馏、萃取蒸馏、反应蒸馏这3类典型的引入质量分离剂强化的蒸馏过程及其耦合技术;微波、超重力场等典型外场作用下的引入能量分离剂强化的蒸馏过程,并系统介绍以新型塔内件及新型塔结构为切入点的基于先进设备强化的蒸馏过程,为迎接这一领域新的难题和挑战提供新思路。     

微波场强化化工分离过程研究进展

优化化工分离技术、实现化工分离过程的节能减排,一直是化工分离过程研究的热门课题。近年来,微波场强化分离过程的研究非常活跃。本文阐述了微波对物质的作用机理以及微波加热较普通加热的优势与特点;系统介绍了微波场在萃取、精馏、干燥、脱附/吸附、蒸馏和反应精馏等分离过程的强化效果和应用进展,并分析总结了微波场在这些分离过程中的强化机理,分析表明将微波应用于化工分离过程具有加热速度快、产品质量高、耗能低和易于控制等特点;同时指出微波在分离过程特别是蒸馏/蒸发和反应精馏领域研究的欠缺,提出对于微波是否对蒸馏/蒸发或反应精馏过程具有强化作用还需要大量的实验验证和相应的理论支撑;最后本文对微波在分离领域的发展作了分析与展望。     

混合离子液体催化反应精馏合成乙酸正己酯

离子液体催化反应精馏是提高酯交换平衡反应转化率的一种绿色有效方法。以离子液体1-丙基磺酸-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐（［PSO₃HMIm］［OTf］）和离子液体1-辛基-2,3-二甲基咪唑双（三氟甲烷磺酰）亚胺盐（［OMMIm］［Tf₂N］）的混合物作为乙酸甲酯和正己醇进行酯交换反应合成乙酸正己酯的催化剂,测定了酯交换反应动力学。探讨了混合比、反应温度、反应物初始摩尔比、催化剂浓度对反应速率和乙酸甲酯转化率的影响,考察了催化剂的回收性能。利用实验数据回归得出混合离子液体催化酯交换反应动力学方程。在反应动力学的基础上进行了乙酸甲酯和正己醇的酯交换反应精馏流程模拟,分析了理论板数、回流比、进料位置及反应段塔板数、催化剂用量、持液量等参数对反应精馏塔的影响。在优化的操作条件下,获得纯度为0.9993的乙酸正己酯产品。