精馏集成过程研究进展

莫可璋

摘 要：本文综述了国内外精馏从基础到应用的研究概况。从转化率、选择性、塔内温度、组成分布等方面，分析了精馏与传统反应精馏的等效性，指出精馏的优势在于工况的灵活选择利于实现反应与分离能力的最佳匹配。介绍了精馏在稳态模拟与优化、动态模拟及控制等方面的研究进展，并从不同工况反应与精馏集成技术的应用、便捷的催化剂装填与反应器设计应用两个角度归纳了该技术的应用进展。最后，从优化设计理论、先进控制方法、能量综合利用以及强化酶催化反应等方面对精馏进一步的研究与应用进行展望。

关键词：过程强化;精馏;过程集成;优化设计;过程控制

0 前言

反应精馏（RD）是化学工业过程强化技术的成功典范之一。其将化学反应与精馏分离耦合在同一单元设备中同时进行，一方面利用精馏促进反应进行，提高转化率与选择性，降低过程能耗，节省设备投资;另一方面通过反应强化精馏分离，有效利用反应热、提高能量利用率，实现近沸或共沸体系的分离。由于反应与精馏在空间上相互独立，因而呈现出更多的优点：①能够突破传统反应精馏技术对于工况的限制（例如高压反应与减压精馏），拓宽应用范围;②反应量可以自由调整，易于实现反应能力与分离能力的最佳匹配;③反应器与精馏塔可以独立设计，催化剂装填、更换方便，易于工程放大。

1 等效性分析

传统反应精馏过程中，反应与精馏在塔板上同时进行，属于同一空间内的连续耦合，而对于精馏过程，化学反应从塔内反应塔板转移至塔外侧反应器中进行，两者处于不同空间位置，属于离散集成。在集成方式具有显著差异性的情况下，SRC过程与RD过程是否具有等效性，能否达到一致的强化效果，成为SRC过程应用首要关注的问题。对此，研究者们分别从可逆反应与连串反应两个角度，对RD过程与SRC过程所能实现的强化效果，即转化率与选择性，以及两种集成过程塔内的温度、组成分布进行了探究。Ouni等分別设计了甲基叔戊基醚（TAME）、异丁烯二聚的RD工艺以及SRC工艺，结果发现，通过优化侧反应器操作参数，SRC可以达到与RD过程相一致的转化率以及选择性（TAME生产中，转化率达到90%;异丁烯二聚中，转化率达到99%，选择性达到95%）。RD过程反应与分离的集成，实质是质量与能量的集成，而非局限于将两者耦合在同一单元设备中进行操作，反应器与精馏塔离散集成的SRC过程依然可以达到与连续耦合的RD过程相一致的强化效果。

2 过程设计与优化

2.1 稳态模型与模拟

尽管精馏具有广泛的应用前景，但在技术开发初期，需要建立严格的数学模型对集成过程进行可行性分析、设计优化以及经济评估。精馏过程的稳态模型可由两部分构成：精馏塔模型以及反应器模型。两者都有成熟的计算理论与方法，对于精馏塔模型，常规的平衡级模型、非平衡级模型以及非平衡池模型依旧适用;对于反应器模型，则可以根据反应体系，结合实际动力学模型与反应器类型（全混流反应器以及活塞流反应器等）进行描述。然而，由于精馏集成过程存在较多循环流股，且方程非线性程度高，模拟收敛较为困难。对此，有学者开始研究模型简化方法以加速收敛，主要包括Murphree板效率改进模型以及独立反应量改进模型。

2.2 优化设计方法

为了充分发挥精馏集成过程的技术潜力，需要通过优化使其反应能力与分离能力达到最佳匹配。精馏集成过程的待优化参数包括精馏段塔板数、提馏段塔板数、反应器台数、反应器间隔塔板数、反应体积等结构参数以及反应温度与压力、精馏压力、进料位置、进料比、回流比等操作参数。其中，对于采用绝热侧反应器的精馏过程，精馏压力会直接影响进入侧反应器的反应液温度，导致反应能力发生改变，因此精馏压力的优化尤为重要。另外，对于过量反应物进料以及多反应产物的精馏过程，往往需要通过循环过量反应物或副产物从而提高原料转化率或目标产物选择性，但过高的循环量会提高操作费用，因此需要通过优化获得最佳循环量。目前“背包式”反应精馏集成过程的优化方法主要分为两类：序贯优化法以及混合整数非线性规划法（MINLP）。

2.2.1 序贯优化法

序贯优化法具有操作简单、实施方便等优点，是目前使用最为广泛的精馏优化设计方法。但是随着优化变量的增加，该方法计算量会呈现指数级加大。对此，耦合Powell算法的新型序贯优化方法。该方法中，将待优化变量分为置于优化外层的离散变量以及置于优化内层的连续变量，其中外层离散变量采用序贯优化法进行迭代优化，而内层的连续变量则通过Powell算法进行直接优化，能够有效提高序贯优化法优化效率。

2.2.2 混合整数非线性规划法（MINLP）

精馏集成过程的待优化变量包含连续变量以及离散变量，并且系统中反应动力学与气液相平衡（精馏）的耦合表现出强非线性关系，因此精馏集成过程的优化问题实际是一个混合整数非线性规划问题，优化目标为考虑设备投资与操作费用权衡的年度总成本。但是，侧反应器与精馏塔不同的集成方式会呈现多种结构方案，导致流程具有不确定性，优化模型的建立与求解十分困难。目前为止，有关这方面的研究较少，而现有的优化求解算法，从特性上可以分为确定性算法以及随机算法。随机算法是近年来新发展起来的一种优化方法，具有高效性、鲁棒性等优点。由于算法只需提供目标函数值，对于一些未知结构（黑箱模型）的优化问题也同样适用。

3 动态模拟与控制

3.1 动态模拟

动态模拟能够真实反映装置生产情况，在扰动响应分析、装置开停车操作优化、控制策略设计以及间歇、半间歇工艺设计等方面具有重要指导意义。基于HYSYS平台建立了甲苯氯化“背包式”反应精馏的动态模拟系统，探究了进料配比失调、回流量过低以及塔釜加热量不足等故障扰动下的动态特性，获得了有效的故障响应数据，能够为工业上集成过程故障诊断提供依据。间歇精馏集成过程的动态特性以及参数影响规律，表明相比大多传统间歇反应精馏仅仅配置一台反应器，配置多台侧反应器能够更好地实现反应能力与分离能力的最佳匹配。

3.2 控制策略与结构

目前，传统反应精馏过程的控制理论与策略研究每年呈现稳步增长，研究领域也从传统的比例-积分-微分控制法（PID）逐步发展到先进的模型预测控制法（MPC），这些研究也给精馏控制策略的设计带来了更多的启示。针对理想两产品（两种反应物相对挥发度处于两种产物之间）反应精馏工艺，通过组合不同的控制变量和操作变量，提出PID控制结构，并进一步对比分析了不同控制结构下的闭环控制效果，总结了各个控制结构的优缺点与适用场合。在进料扰动下，恒定加热量不能有效控制产品质量，而控制塔釜组成与控制塔板温度都能实现良好控制，保证产品质量，但前者引起塔釜温度波动更小。在精馏生产醋酸甲酯工艺中采用以产品组成调节变比值的控制策略，同样可以实现良好的控制效果。

4 结语

精馏集成技术是传统塔内耦合反应精馏技术的进一步拓展，由于反应与精馏处于不同空间位置，能够突破传统反应精馏在工况、设备等方面的限制，拥有更广泛的应用前景。但是，目前精馏技术的开发处于初级阶段，未来仍需要进一步加强精馏集成技术的研究。精馏集成过程是一种新型的过程强化技术，有效弥补了传统反应精馏的不足。本文分别从等效性分析、过程设计与优化、动态模拟与控制以及应用领域四个方面对精馏集成过程进行了评述，并总结了今后的主要发展方向。相信随着精馏技术研究的不断深入，其必将在化工过程强化以及节能减排领域发挥更大作用。

参考文献：

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[3]徐骏，乔旭，崔咪芬，等.背包式反应与精馏耦合生产氯化苄技术研究[J].化学反应工程与工艺，2005，21（2）：122-126.