双反应段反应隔壁精馏塔的模拟研究

马超+熊小然+郝阳洋

摘要：本文对反应精馏和隔壁精馏塔进行简要分析，并以环己烯和环己烷的分离为例，利用Aspen Plus软件对双反应段反应隔壁精馏塔进行模拟和研究，希望得出的结论能够为化工企业提供参考。

关键词：双反应段；反应隔壁精馏塔；Aspen Plus软件；模拟分析

随着我国精馏技术和科学技术的不断发展和进步，目前化工企业广泛采用反应精馏和隔壁精馏塔来进行生产作业，不仅能够为企业带来较高的经济效益，同时也对企业走长远发展路线起到至关重要的作用；而将这两种精馏技术有效结合后，在使化工企业在提高化工产品精度的同时降低能耗，起到一定环保节能作用，为化工企业提高竞争力。

1 反应精馏与隔壁精馏塔

1.1反应精馏

近年来我国大部分化工企业将反应和精馏过程放在同一设备中同时操作进行，使两种反应互相影响，在节省生产成本的同时促进两种操作，能够在一定程度上降低部分能耗，也同时可以利用互相作用提高分离的纯度和精度，而这种结合方式则被称作“反应精馏”。而想要使用反应精馏方法必须满足以下几个条件：（1）生成物与反应物不可以存在相同沸点，反应物的沸点高于或低于生成物皆可；（2）在精馏耦合的过程中，必须保证不会产生或增加反应副作用。目前反应精馏主要运用于酯类生产[1]。

1.2隔壁精馏塔

分壁精馏塔（DWC），因其工作原理又被称作为隔壁精馏塔。隔壁精馏塔属于完全热耦合精馏塔。在精馏过程中将一块隔板以竖立形式放入塔中，将精馏塔内部结构一分为二，通过分离和精馏分离出三种物质，达到提高效率和产品精度的目的[2-3]。

2双反应段反应隔壁精馏塔模拟分析

由于收到反应精馏常规序列自身水平的限制，精馏在过程中无法将环己烯与环己烷完全分离出来，而两个反应精馏塔所消耗的能量较多，提高了操作费用。如果利用双反应段反应隔壁精馏塔来进行分离，则有可能使其精馏精度进一步提高。分离环己烯/环己烷混合物的双反应段反应隔壁精馏塔如图2所示。

图1显示该塔内部被分为7段。将混合物由左侧放入精馏塔中，其中环己烯和环己烷混合物进料量为100kmol/h，环己烯与环己烷比例为4∶1；水进料为100kmol/h，且均为饱和液体进料。要求所得到的环己烷与环己烯的产品摩尔分数均达到99%。产品纯度通过对应塔顶出料的流量和再沸器热负荷来控制，操作压力为151.5kPa。塔内存在复杂的液-液分相和反应分离，且反应发生在液相。使用Amberlyst15作为非均相催化剂，并选用的NRTL热力学模型参数与反应动力学方程。通过在1、2、3段进行反应，将环己烷、环己烯与水初步分离并得到新生成物环己醇；在4、5、6段内将水中少量存留的环己烯、环己烷以及环己醇进一步提溜；7段属于公共提溜段。而通过以上7段内相互作用将高精度的环己烷、环己烯以及新生成物环己醇提溜出，完成对环己烯/环己烷混合物的分离。此外，双反应段反应隔壁精馏塔内分离出的废水可经过处理后重新利用。

从图1中可以得出区域1～区域7的理论板数分别为1、89、2、3、6、1、1。双反应段反应隔壁精馏塔主塔反应段从第2到第90块塔板，耦合位置为第92块塔板，塔顶采出环己烷产品。环己烯分离区反应段为第4到第9块塔板，顶部采出环己烯产品。

在进料条件、产品浓度等基本条件相同的情况下，常规反应精馏塔序列的再沸器总热负荷与双反应段反应隔壁精馏塔的再沸器热负荷几乎无差别。

我们在Aspen plus软件中采用双反应段反应隔壁精馏塔双塔热耦合形式进行分离精馏（如图2所示），其工作原理基本与双反应断反应隔壁精馏塔相似。利用热能变量的同效性从环己烷分离塔中采出部分气象分流进入到环己烯分离塔并为其提供能源，在一定程度上可以代替环己烯分离塔中的热能，具有一定节能的作用。经模拟分析可知，当气相流量为164.2kmol/h时可以在促进环己烯分离的同时省去该分离器内的再沸器，达到节省成本、减少耗能的目的。

图3为软件模拟中双反应段反应隔壁精馏塔主塔液相中各组分的摩尔分数分布图。由此可以看出，在双反应段反应隔壁精馏塔主塔中，反应生成物环己醇的摩尔分数逐渐增多，而环己烯的摩尔分数则逐渐减少，同时环己烷摩尔分数也在逐渐升高，说明在精馏塔中的反应及精馏已经成功将环己烷和环己烯分离开来，高效完成混合物分离精馏作业。

本文提出了一种具有2个反应段的反应隔壁精馏塔的设计，并以环己烯和环己烷的分离为例，对该体系的常规反应精馏序列和双反应段反应隔壁精馏塔进行了模拟与分析，并对反应过程摩尔参数进行分析和对比，在软件模拟的过程中完成混合物分离的同时也反映出双反应段反应隔壁精馏塔的优势和作用。通过分析实验结果可以看出：双反应段反应隔壁精馏塔与常规反应精馏过程相比，虽然在节能降耗等方面仍然存在一定差距，但是在分离效果上并无明显差异，并且在设备投资和占用空间上有较大优势。

参考文献：

[1]于海深，王凤彦.浆态鼓泡床反应器合成乙酸正丁酯工艺的研究[J].化学世界，2012（10）：131-133.

[2]孙兰义，王汝军，李军，刘雪暖.反应精馏隔壁塔的模拟研究[J].化学工程.2011（07）：164-165.

[3]孙兰义，杨德连，李军，李青松.反应精馏隔壁塔内合成乙酸甲酯的模拟[J].化工进展.2009（01）：109-111.