乙酸甲醇酯化反應的反應隔離壁精餾塔設計

熊小然 郝洋陽 馬超 吳晨露（北京化工大學信息科學與技術(shù)學院，北京 100029）

乙酸甲醇酯化反應的反應隔離壁精餾塔設計

熊小然 郝洋陽 馬超 吳晨露（北京化工大學信息科學與技術(shù)學院，北京 100029）

乙酸和甲醇酯化反應生成乙酸甲酯和水是一種典型的具有較不利相對揮發(fā)度排序的四元反應體系。以該酯化反應為例，本文研究了一種新型的反應隔離壁精餾塔設計策略，通過側(cè)線引出未反應的乙酸和甲醇并環(huán)流至進料位置，使得未反應的反應物得以充分反應，繼而同時提高塔器中反應操作與分離操作的效率。

反應隔離壁精餾塔；反應精餾塔；較不利相對揮發(fā)度排序；過程設計

為了擺脫傳統(tǒng)RDC的局限性，擴展其應用范圍，前人進行了大量卓有成效的研究。Chen等[1]提出了外部環(huán)流反應精餾塔，通過引入外部環(huán)流將未轉(zhuǎn)化的反應物從塔的一端引入到另一端，實現(xiàn)了TAC的減小，但最輕/最重反應物在流向塔頂/塔底的過程中流經(jīng)產(chǎn)物采出的塔板造成了不利的內(nèi)部物質(zhì)耦合。2015年，Li等[2]提出了一種帶外部環(huán)流的反應隔離壁精餾塔，通過在塔器中間設置隔板，有效的阻斷了反應物流經(jīng)產(chǎn)品采出塔板的路徑，提高了塔器工作效率。本文基于乙酸和甲醇酯化反應生成乙酸甲酯和水這一典型的具有較不利相對揮發(fā)度排序的反應系統(tǒng)，研究了一種新型的反應隔離壁精餾塔過程設計（NRDWC），并與傳統(tǒng)的RDC進行對比。

1 NRDWC的設計原理

1.1 NRDWC的原理分析

圖1給出了NRDWC的示意圖。考慮到A進料為次輕組分，未反應的A進料在主塔的中部可能達到濃度最大值，故而在主塔的側(cè)線位置設置一環(huán)流并在進料位置與A進料混合。通過將未反應的反應物環(huán)流回反應段，有利于反應操作的正向進行，從而提高NRDWC的熱力學效率，獲得更好的經(jīng)濟性能。

圖1 NRDWC示意圖Figure 1.A reactive dividing-wall distillation column

1.2 NRDWC的設計方法

在NRDWC的設計過程中，年總成本TAC采用Douglas[3]的計算公式，以TAC為目標函數(shù)，循環(huán)優(yōu)化各個設計變量，獲得TAC最小的NRDWC結(jié)構(gòu)。TAC的值可以表示為：

其中，OC為操作費用，包括蒸汽、冷卻水、催化劑的費用；CI為設備費用，包括塔板、塔殼和換熱器的費用；β為投資回收期，一般假設為3年。

2 NRDWC應用于乙酸與甲醇的酯化反應體系

2.1 問題描述

本文主要研究乙酸與甲醇的酯化反應，該反應為放熱反應，反應方程式如下：

HAc和MeOH為最重和次輕組分，產(chǎn)物MeAc和H2O為最輕和次重組分，該反應屬于典型的具有較不利相對揮發(fā)度排序的四元反應體系。

2.2 NRDWC的設計

反應物HAc和MeOH的進料流量均為50 kmol/h，操作壓力為101.325 kPa，產(chǎn)品MeAc和H2O的純度均要求達到98%。為使TAC最小，預分餾塔應全部設置反應段且其塔板數(shù)為43，公共精餾段塔板數(shù)為1，公共提餾段塔板數(shù)為1，隔板右側(cè)的塔板數(shù)為43，MeOH和HAc的進料位置分別為P4和P47板，環(huán)流從主塔第18板采出，環(huán)流流量為2.5 kmol/h，液相分離比為0.95，氣相分離比為0.97。

2.3 傳統(tǒng)RDC與NRDWC的比較與分析

對于乙酸和甲醇酯化生成乙酸甲酯和水的反應，傳統(tǒng)RDC最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設計直接取自Chen的文章[1]，傳統(tǒng)RDC與NRWDC相比，雖然CI增加了7.87%，但是OC減少了6.53%，總的TAC減少了1.37%，表明NRDWC的經(jīng)濟性能更優(yōu)。

3 結(jié)語

以TAC為評價指標，與傳統(tǒng)的反應精餾塔就經(jīng)濟性能進行了比較。結(jié)果表明該型反應隔離壁精餾塔與傳統(tǒng)反應精餾塔相比具有更低的TAC，因此，在分離具有較不利相對揮發(fā)度排序的反應體系時，應該著重考慮NRDWC結(jié)構(gòu)。

[1]Chen H S,Huang K J,Zhang L,et al.Reactive distillation columns with a top-bottom external recycle[J].Industrial and Engi?neering Chemistry Research,2012,51:14473-14488.

[2]李文業(yè).外部環(huán)流反應隔離壁精餾塔的綜合與設計[D].北京:北京化工大學信息科學與技術(shù)學院,2015年.

[3]Douglas J M.Conceptual design of chemical processes[M]. New York,USA:McGraw-Hill Education,1988:185-198.

熊小然（1992-），女，北京化工大學碩士研究生,研究方向為化工過程系統(tǒng)工程。