反应精馏过程反应和分离的协同机制和调控方法

Reactive distillation (RD) process is a chemical intensification process in which chemical reaction and separation take place simultaneously. The most prominent characteristic of RD is the very complex synergetic effect and interaction of reaction and separation existing in the whole reactive distillation column. The understanding of this mechanism and its regulation method play a decisive role in the realization and optimization of the RD processes. A research method of multi-scale is proposed to analyze and regulate the synergetic effect of reaction and separation. Firstly, a graphical method based on thermodynamics and reaction dynamics of the reaction system is built to analyze the synergetic effect mechanism and to obtain the regulation target of the reaction and separation. Secondly, by combining CFD simulation and experimental verification the structure-activity relationship of structured catalyst packing and its reaction capacity and separation capacity is established.A design method of intelligent packing is presented based on above research. Finally,a rate-based non-equilibrium model using multi-scale method is built to simulate RD processes which enables the accurate analysis of the synergetic effect in RD processes and achieves multi-scale regulation. The final goal of this project is to realize the regulation of reaction and separation in micro-scale by macro-scale method and further the optimization and regulation of RD processes in macro-scale based on a very well understanding of the mechanism of synergetic effect of reaction and separation.

反应精馏过程系在一个塔内同时进行反应和分离的化工强化过程，其显著特征是在反应精馏塔内反应和分离之间存在着复杂的交互作用。如何发挥两者的协同作用并对其进行调控是实现和优化反应分离耦合过程的关键。本项目提出一种多尺度分析反应和分离协同机制并实现调控的研究思路。基于此思路，首先建立一种基于体系热力学和反应动力学的图解设计方法，用于分析反应和分离的协同机理，确定反应和分离发生协同作用所需的条件，提出调控的目标；其次利用CFD模拟和实验测定的方法，建立规整催化剂填料的结构与其所能提供的反应能力和分离能力的构-效关系；在上述基础上，提出"量体裁衣"型智能填料的设计方法；最后，建立该过程衔接各尺度的非平衡级速率模型，实现对协同机理的精确分析和各尺度上的调控。本项目的目标在于在弄清塔内反应和分离协同机制的基础上，实现利用宏观手段调控微观尺度的反应和分离过程，进而实现宏观尺度上的反应精馏耦合的调控与优化。

反应精馏过程系在一个塔内同时进行反应和分离的化工强化过程，其显著特点是反应精馏塔内反应和分离之间存在复杂的交互作用，同时塔内催化剂的装填方式严重影响反应精馏效果，这些困难导致至今未有好的设计方法。如何发挥反应和分离的协同作用并对其进行调控是设计和优化反应精馏过程的关键。. 本项目首先采用静态法测定了正丁烯醋酸酯化体系等温汽液相平衡数据和反应动力学数据，测定了催化剂规整填料袋内扩散系数、干湿塔压降和动态持液量，实验研究了不同操作条件对反应精馏技术回收聚乙烯醇醇解废液结果的影响；以醋酸甲酯合成和水解、环己烯水合、正丁烯醋酸酯化为研究体系，建立了基于相关体系可靠热力学和反应动力学的图解设计法，分析了各体系反应和分离的交互作用，提出了调控目标，并以正丁烯醋酸合成醋酸仲丁酯反应精馏过程为例建立了包括初步设计、稳态分析和边界值分析三个层次的综合设计策略；提出了一种将复杂反应精馏区划分为反应和非反应区的思想，引入多孔介质模型建立了一种新颖的CFD模拟模型，和实验结果进行比较后验证了模型的可靠性，实现了催化规整填料内部流程的可视化研究。. 建立了以甲醇醋酸甲酯共沸物为原料（聚乙烯醇醇解废液）合成醋酸甲酯反应精馏塔的模拟模型，并对该反应精馏过程进行了优化。模拟发现当回流比较小的时候所建模型必须考虑塔的热损失。建立了以异佛尔酮为助剂环己烯水合制环己醇的反应精馏过程的模拟模型，对操作条件进行了优化设计。上述模拟还研究了塔设备尺度下的反应和分离的交互作用，研究表明当体系中重组分为反应物时过度增加提馏段将恶化反应精馏效果。