隔壁塔与反应精馏耦合过程的设计与优化研究

The project aims to develop the reactive dividing wall column (RDWC) based on the advantages of the dividing wall column (DWC) and the reactive distillation (RD) technology, which will be applied to the hydrolysis of the methyl acetate. The minimum energy mountain diagram, a shortcut design method of the DWC, will be expanded to the design of RDWC in order to calculate the configuration and the operation parameters, which can be used as the initial value of the optimization. A rigorous model of the methyl acetate hydrolysis is established with Aspen Plus, and optimal parameters will be obtained with the optimization of multi-objective genetic algorithm by integrating the Aspen Plus and Matlab. Then methyl acetate hydrolysis experiments will be performed on a RDWC setup to refine the model. The implementations of the project could lay the foundation for the optimal design and industrial application of RDWC and will be significant to reduce energy consumption and CO2 emissions in the chemical industry, also it will be instructive to research on the energy saving distillation technology.

本项目旨在结合隔壁塔（DWC）与反应精馏（RD）的优势，形成强化节能的反应精馏隔壁塔（RDWC）并将其应用于乙酸甲酯水解反应过程。研究中，将适用于隔壁塔的简捷设计方法-最小能量峰值法拓展于反应精馏隔壁塔的简捷设计中，以得出反应精馏隔壁塔的结构及操作参数，为其优化设计提供初值；在Aspen Plus平台上建立乙酸甲酯水解的反应精馏隔壁塔严格模型，并与Matlab集成，采用多目标遗传算法对反应精馏隔壁塔进行优化研究，综合分析多个目标，得到最佳的设计与操作参数；同时，在反应精馏隔壁塔实验平台上进行乙酸甲酯水解反应研究，完善其设计模型。项目的成功可为反应精馏隔壁塔的优化设计、工程放大和应用提供理论指导，对降低我国化工行业相关装置能源消耗、减少CO2排放有一定的意义，也可为其他节能型精馏塔的研究提供思路。

隔壁塔与反应精馏的耦合过程不仅涉及反应与分离的协同机制，而且具有很强的非线性和滞后性，对过程集成的研究带来不小的挑战。本课题主要探索反应精馏隔壁塔的设计、优化和控制，并将该反应精馏隔壁塔的理论研究与实验相结合，验证模拟可靠性的同时扩展其工程应用。取得的主要成果有：.（1）推导得出了适用于反应精馏隔壁塔简捷设计的最小能量峰值法（Vmin）。以Underwood方程为基础，将隔壁塔简捷设计中的Vmin应用于反应精馏隔壁塔中，推导出适用的Vmin法，分析区域内的能耗情况，以MTBE合成反应精馏隔壁塔为例进行设计计算，结果可靠，为严格计算提供良好的初值。 .（2）对乙酸甲酯水解反应体系，应用Aspen Plus软件，建立了反应精馏隔壁塔的两塔模型及三塔模型，分别进行了水酯进料比、水酯进料位置、气相分配比、塔底再沸器热负荷、塔顶及侧线抽出量等参数的单变量分析为进一步优化提供初值。.（3）运用多目标遗传算法优化设计该反应精馏隔壁塔，详细分析了其设计参数，确定了优化目标及约束条件，将Aspen Plus与Matlab联用，实现软件集成，在Matlab中运用带约束的多目标遗传算法优化模拟该反应精馏隔壁塔，以最小年费用为目标，得出了最优方案。.（4）在Aspen Dynamics平台上建立乙酸甲酯水解、乙酸正丁酯合成的反应精馏隔壁塔的温度控制回路，间接控制产品质量以及反应物之间的化学反应计量平衡，添加进料量及进料组成扰动后，分析控制结构的动态响应曲线，调整得到了可保证装置的平稳运行的最优控制结构，为反应精馏隔壁塔的工业化应用提供理论支撑。.（5）建设了一套小试装置。对乙酸甲酯水解反应过程进行实验研究，修正了稳态模型，也为反应精馏隔壁塔的工业放大提供理论指导。.本文为复杂反应分离过程的强化设计提供了全新的思路，研究成果不仅对反应与精馏强化过程有重要科学意义，而且对工程应用很有很大的借鉴价值。