反应精馏过程图解法设计策略分析.pdf

第15 卷第4 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.4 Vol.15 2001 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2001 文章编号 1003-9015(2001)04-0333-08 反应精馏过程图解法设计策略研究 1 1 1 2 周传光 , 赵 文 , 韩方煜 , 高 健 (1.青岛化工学院化工与制药工程学院 山东 青岛 266042 ; 2.浙江大学化学系 浙江 杭州 310027) 摘 要 从反应精馏过程图解法设计的理论研究出发 探讨了反应空间 转换组成变量以及剩余曲线等应用范围 和局限性; 通过分析反应精馏操作线方程的变化 提出了图解法设计反应精馏过程的策略 (1) 用奇异点判断法结 合实验数据可判定应用反应精馏过程的可行性 (2)借助反应空间可判断该过程能否在单塔中得到完全分离 (3) 图 解法设计的多种设计结果及相应对策 采用实例验证了该策略的可行性 关键词 反应精馏 图解法设计 反应空间 转换组成变量 中图分类号 TQ O28.3+ 1; TQ03 文献标识码 A 1 引 言 反应精馏过程是在精馏塔内伴有化学反应的单元操作 具有减少能耗 提高收率 缩短流程 降 低投资和生产成本等特点 近年来一直是化工领域研究的热点[1-2] 在研究反应精馏设计的过程中 [3] [4] [5] 已提出了许多概念和方法, 其中包括转换组成变量法 反应空间的概念 反应精馏线图 等 由于 反应精馏过程复杂 如能根据过程的规律计算并绘制出几何线图 直接从图中寻找分析可行或不可行 的设计参数 将使设计过程得到简化 1987 年Barbosa 和 Doherty[3] 以常规精馏线图为基础 提出了 用图解法设计反应精馏过程的思想 受到人们的关注 本文在前人理论工作的基础上 研究确定了反应空间的几何意义 明确了反应空间的概念 推导 出转换组成变量 用于反应精馏过程的剩余曲线方程和反应精馏操作线的计算方程 并应用上述概念 和方程 提出了适于反应精馏过程的设计策略 并采用实例研究解决是否引入非反应精馏 可能出现 的反应精馏边界, 以及反应精馏设计的可行性等问题 2 图解法设计的理论基础 2.1 反应空间的概念 Barbosa 和 Doherty 通过对化学平衡控制的反应精馏中组分浓度变化的研究 引入了常规精馏浓 度空间的概念 即由简单精馏方程的轨迹确定的组分浓度变化范围 反应精馏中由于存在反应项 降 低了系统的自由度 且在反应精馏中存在化学和物理的同时平衡, 因此 描述反应精馏的这部分浓度 空间必然包含于常规精馏的浓度空间之中 Bessling [4] 提出了反应空间的概念 如果浓度空间的维数 与自由度数相等 且在该浓度空间中满足平衡条件 则定义这部分浓度空间为反应空间 反应空间是 浓度空间的子空间, 其几何形状决定了反应类型 化学平衡的位置 以及惰性组分的存在情况 在假设系统处于化学平衡及物理平衡的前提下 由吉布斯相律 FG 2 c p r (1) 可知 独立化学平衡反应的数目(r)减小了系统的自由度(F G) c 的数值受到质量作用定律以及预先指 定的惰性组分的限制 收稿日期 2000-08-04; 修订日期 2001-03-27 基金项目 国家自然科学基金资助项目(编号 教育部优秀骨干教师资助计划项目(编号 2000-2001) 作者简介 周传光(1958-) 山东济南人 青岛化工学院教授 博士 334