浅述反应精馏塔的优点及设计

朱腾腾 李超

摘 要：反应精馏塔做为化学工艺的一般过程可以分为以下三个部分：原料提纯、化学反应以及产物精制，原料提纯以及产品精制一般涉及分离工程学科的内容，尽管有化学吸附等有化学过程存在，但原料的提纯和精制过程大都属于相态变化的操作，而反应部分则主要涉及催化以及反应工程学科。

关键词：反应精馏塔，优点，设计

一、反应精馏塔简介

如果将化学反应以及精馏过程合二为一，即在一个设备中同时進行化学反应以及精馏过程，这样便产生了一个新的概念——反应精馏。

反应精馏（Reactive distillation process）是化学反应和分离在同一精馏设备中完成的过程。目前有皂化、酯化、醚化等多种生产过程实现了反应精馏的集成化操作。这种操作既可以对难以用普通精馏过程分离的系统，通过添加某种组分，使之与被分离组分发生化学反应，从而实现混合物体系的分离；又可使反应混合体系中的某种组分不断从塔中分离出来，改变系统的相平衡和化学平衡，使之反应继续进行，提高转化率。

（一）反应精馏塔的优点

反应精馏过程可以缩短生产流程、减少成本投资；对于多数放热反应还可以利用反应热供分离所需，降低所需能耗；同时作为一种新型分离技术，还可用于某些特殊精馏。因此，研究反应精馏过程的优化设计具有重要的理论意义和实用价值。

（二）反应精馏塔过程设计

Backhaus在1921年提出有关反应精馏的思想。由于在精馏塔中反应的分离之间存在许多影响因素，即使板数、传热、速率、进料位置、停留时间、催化剂、副产物浓度以及反应物进料配比等参数的很小变化，都可能对过程产生很大影响，所以对该集成过程的研究要困难得多。因此，早期在反应精馏领域的研究一直以特定体系的数学模拟和实验探索为主。

当生产过程的反应和分离条件与要求确定后，进行化学反应和精馏过程集成化设计的目的是为了确定过程的可行性，合理的设备结构设计参数。要更好地发挥反应精馏过程的优点，从技术上考虑，反应精馏设备的选型，工艺流程和关键设计参数的选定起着十分关键的作用。目前提出的设计方法主要有：

1、直观法。直观推断法是基于反应精馏系统的实际经验和物理化学知识提出的一种结构综合的决策规则。

2、混合整数非线性规划法。该法是通过混合整数非线性规划对反应精馏设计进行优化研究的方法。其优点在于可提供模型的系统结构并进行同时优化，但必须是事先给出各种可能的组合。

3、数学模拟法。数学模拟法是在精馏过程模拟的数学模型中引入化学反应平衡项，并假定塔的操作参数已知，对大型非线性方程进行求解，得出塔内温度、流量、转化率等分布参数。这样得到的结果虽比较准确可靠，但计算量大，特别是要凭经验确定塔的初值和操作参数。

4、图解设计法。图解设计法根据反应和精馏过程的特点，结合实验数据和公式绘制算图用于反应精馏过程的设计，可简化某些繁琐的计算过程，为数学模拟提供较为准确的初值，并可为不便于数学表达的复杂问题提供分析手段、策略和方法。

（三）对反应精馏操作以及工艺条件的选择

由于反应精馏不同于其他一般的精馏过程，反应精馏的复杂性使过程的设计、放大、操作性能和控制方案的研究等方面均存在较大的困难，上述这些反应精馏过程的初步设计方法目前还未形成全面有效的理论体系要在这一领域里开展深入的研究工作，应该从理论上进行分析探讨。但是在实际情况中，还不得不靠经验来处理某些问题。ChemCAD就可解决上述问题。

二、ChemCAD软件简介

（一）ChemCAD化工模拟系统的简介

ChemCAD是美国CHEMSTATIONS公司开发的化工模拟软件。它可以用严格的和最新的计算方法进行单元操作乃至全过程的模拟计算，对现有装置进行评价，为企业提供可靠的相关依据，达到优化设计和操作的目的。

ChemCAD软件提供了包括盐、碱、烃类、电解质（共有220种不同的电解质）、酸或其它精细化工应用方面的所有内容的大量最新的热力学计算方法，共有30多种K值和12种H值的计算方法，还有不同的粘度方法、熵方法、密度方法、蒸汽压方法，以及计算导热系数和表面张力的方法可供选择。这些给用户带来了很多的方便。

目前，国内主要应用于精馏操作。在ChemCAD内部，精馏模块分为严格型和简捷型两种。简捷型以Fenske-Underwood-Gilliland模拟为基础，只能解决单塔的简单精馏操作。严格型包括SCDS（Simultaneous Correction Distillation System）、Tower和Tower Plus 三种计算模块。ChemCAD推荐标准塔（即1个输入物流和2个产品物流）可使用Tower，对于带有热交换器、循环泵和侧线采出的塔则使用Tower Plus。SDCS通常用来模拟非理想体系，它使用的是牛顿-拉普拉斯法收敛计算，允许气液两相中存在20多个组分。它不仅能够模拟简单塔的计算，还可以处理5个侧线进料和4个侧线采出的复杂精馏情况，提供了Murphee板效率选择项。此外，该模型还提供了冷凝器和再沸器的多种选择。较之前两类，SCDC功能强大，但运算时间较长，特别是组分数≥10.

（二）ChemCAD模拟化工流程的一般步骤

1、新建一个流程。在ChemCAD中新建一个流程很简单，只要单击File菜单下的New命令，你可以选择合适的路径存储这个新流程。

ChemCAD是一个综合性的过程模拟程序，化学工程师熟悉的几乎所有的单元操作，包括像严格的反应器、换热器、精馏塔、压缩机、混合器等单元装置的流程图，都可在Windows下通过使用ChemCAD来模拟。

选择流程图计算所需要的单元操作，并把它们放在主窗口中，物流是工艺过程计算的连接器，通过物流信息由一个单元操作传递到另一个单元操作。

2、选择合适的单位。选择合适的单位也是非常重要的，单击Format菜单下的Engineering Unit命令，就可以选择合适的单位制，如国际制单位、英制单位、或者任何作者熟悉习惯使用的单位。

3、选择物系组分。ChemCAD有其强大的模拟功能，而支撑这些功能的基础是完善的物性数据库。ChemCAD默认三种类型的物性数据库：ChemCAD数据库（ChemCAD database）、组织共享数据库（organizational pool database）、本地用户数据库（local user database）。