辅助化学反应直接和间接强化的反应精馏过程研究

针对传统反应精馏具有巨大技术潜力而又无法直接应用的反应过程，研究以辅助化学反应直接或间接强化的新型反应精馏技术。直接强化过程中，辅助反应直接改变主反应体系理化性质，极大地提高主体反应速率，并将辅助反应物转化为相应的产物。间接强化过程中，反应萃取剂的引入不仅改善体系相平衡，还可选择性地与进料混合物中特定组分进行可逆的辅助反应，再间接获得目标产物并回收反应萃取剂。以聚乙烯醇生产副产物醋酸甲酯的直接水解回收利用以及C4-C8烯烃间接水合为对象，通过体系反应相平衡分析、耦合反应精馏过程分析与优化，辅以必要的动力学和过程实验，来理解辅助化学反应的强化机理、探索辅助反应物的引入机制，分析耦合辅助反应的反应精馏过程特性和耦合效应，确定创新反应精馏技术开发方法和研究过程的基本工艺条件。本项目拓宽过程强化技术的学术方向和应用领域，为开发显著节能减排的醋酸甲酯回收利用和间接烯烃水合绿色新工艺打下坚实的基础。

反应精馏是将反应与精馏分离两过程耦合在同一设备里进行的过程强化技术。针对传统反应精馏具有巨大技术潜力而又无法直接应用的反应过程，本项目研究以辅助化学反应直接强化的新型反应精馏技术。以聚乙烯醇生产副产物醋酸甲酯的直接水解回收利用反应精馏过程为例，以甲醇脱水作为辅助反应，通过体系反应相平衡分析、耦合反应精馏过程分析与优化，理解辅助化学反应的强化机理、探索辅助反应物的引入机制，分析耦合辅助反应的反应精馏过程特性和耦合效应，确定创新反应精馏技术开发方法和研究过程的基本工艺条件。主要研究内容和成果如下：.构建了基于过程模拟软件gPROMS的反应精馏过程分析和模拟计算平台。可利用拟弧长延拓方法搜索反应精馏过程模型系统的不同类型的分岔点，并通过计算雅克比矩阵特征值来判断平衡点的稳定性。.基于剩余曲线的概念，建立了针对包含两个反应和多个组分体系的分析方法。以醋酸甲酯水解过程为例，从精馏和反应两个方面，分析了甲醇脱水反应来强化乙酸甲酯水解反应精馏过程的强化机理。结果表明，甲醇脱水反应作为辅助反应，是整个体系的控制步骤，它的引入可提供水给水解反应，减少甚至无需外加水。同时，有利于水解反应向正反应方向移动，极大提高了乙酸甲酯水解率。.利用所构建的模拟与分析平台，对甲醇脱水反应强化的乙酸甲酯水解反应精馏过程进行了概念设计，考察了各种操作参数对体系的影响。结果表明，在优化条件下，当进料为等摩尔的甲醇和乙酸甲酯时，甲醇和乙酸甲酯可以完全转化，塔顶和塔底可以分别得到纯组分的二甲醚和乙酸，也验证了辅助化学反应的强化效果。.针对目前聚乙烯醇生产废液回收利用所存在的问题，设计了两种新的工艺流程。考察了各种操作参数对新工艺的影响，获得最优操作条件。与传统工艺流程相比，新工艺流程更为简化，能耗更低，设备更少，同时可生产出高纯度的二甲醚作为副产品。.为研究催化剂合成以及反应与分离过程中的溶剂强化效应，对新型溶剂离子液体强化的反应和分离过程进行了研究，并发展了以量化计算、分子模拟与过程优化相结合的筛选方法，其强化作用对于反应分离一体化研究将起到推动作用。.本项目拓宽过程强化技术的学术方向和应用领域。在研究结果基础上，发表了13篇SCI学术论文，在国际会议上报告成果16次，申请3项专利，毕业硕士生8名，博士生2名，并为3名博士生提供了国际交流和联合培养的机会，硕士生周腾毕业后得以到德国马普研究所进一深造。