反应分离集成技术之反应精馏

化工生产中，反应和分离两种操作通常是在两类设备中单独进行。但如果将这两者耦合起来，在一个塔内同时进行时，我们称之为反应精馏。

通过精馏将反应物、产物或中间产物及时分离，以破坏可逆反应的平衡关系，使反应继续向生成产物的方向进行，从而提高可逆反应的转化率和选择性。除此之外，反应精馏过程中可通过化学反应打破气-液平衡关系，从而提高传质速率，缩短反应时间；而放热反应提供的反应热又可作为精馏所需的汽化热，供产品分离，达到节能的目的。

因此，相较于传统的反应和精馏工艺，反应精馏有以下优点：能降低操作费用和能量消耗，提高反应转化率和选择性，缩短反应时间，提高生产能力。

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反应精馏适用的物系

当反应体系为“所有产物的挥发度大于所有反应物的挥发度”、“所有反应物的挥发度大于所有产物的挥发度”或“所有反应物的挥发度介于产物的挥发度之间”时，反应精馏比化学反应和精馏分离单独进行时更为有效。

反应精馏适用于多种类型的反应，如串联反应、可逆反应、转化率受化学平衡限制的反应。目前借助于计算机模拟手段，反应精馏技术在醚化（如合成乙基叔丁基醚）、酯化（如合成乙酸正丁酯）、加氢（如混合C4选择加氢）、烷基化（如合成直链烷基苯）、脱水（如叔丁醇脱水反应生成异丁烯）等反应中得到了应用，并不断扩大研究范围。

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反应精馏的类型

反应精馏装置有以下四种情况^[1]：（a）由无反应的精馏段和反应提馏段组成的塔；（b）由无反应的精馏段、无反应的提馏段和中间反应段组成的塔；（c）带有顺流泵循环反应器的常规精馏塔；（d）带有逆流泵循环反应器的常规精馏塔。其中装置b比装置a、c更有效，而装置d需要更详细的研究和探讨。

Fig. Reactive distillation configurations: (a) column with nonreactive rectifying and reactive stripping sections; (b) column with nonreactive rectifying, nonreactive stripping, and reactive middle sections; (c) conventional distillation column with a cocurrent pump-around reactor; (d) conventional distillation column with acountercurrent pump-around reactor.  There active section is shown by the shaded area to distinguish it from the nonreactive section.

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反应精馏模拟的注意事项

1. 模拟前要明确反应，选择合适的催化剂，后找到相应的反应动力学数据。在Aspen Plus中输入动力学数据时，要注意单位。

2. 在模拟反应精馏塔时，要注意塔的操作压力。与普通精馏塔相比，压力对反应精馏塔的影响更大。塔的操作压力影响塔内温度分布，而温度又会影响塔内的反应和分离。

3. 定义反应段，后需要输入塔内的持液量。持液量是反应精馏塔的一个关键参数，每块板上的反应速率及反应后产物与持液量的设定有直接关联。在进行塔的设计计算前，需要先假设持液量，计算出塔径后需要检查假设的持液量是否合理。

4. 优化反应精馏塔参数时，可调节压力、反应段的持液量、精馏段的理论板数、反应段的理论板数、提馏段的理论板数、进料位置、再沸器负荷等，从而使最终产品达到要求。

关于反应精馏的详细模拟请参考孙兰义老师《化工流程模拟实训——Aspen Plus教程》P227或孙兰义老师《化工过程模拟实训——Aspen Plus教程第二版》教程P333的相关内容。

参考文献：

[1] Jignesh Gangadwala †, Achim Kienle , † ‡, ErikStein † A, etal. Production of Butyl Acetate by Catalytic Distillation: Process Design Studies[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2004, 43(1).

[2] 孙兰义主编. 化工流程模拟实训Aspen Plus教程[M]. 北京：化学工业出版社.2012.

[3] 孙兰义编. 化工过程模拟实训ASPEN PLUS教程[M]. 北京：化学工业出版社.2017.

本期编辑：裘晟波