第6章-反应精馏.ppt

分离技术相图与反应精馏浙江大学材料与化工学院浙江大学材料与化工学院陈欢林教授、张林博士.对二种或以上组分的混合物分离，当各组分沸对二种或以上组分的混合物分离，当各组分沸点的差小于点的差小于5，并形成非理想溶液，如恒沸、，并形成非理想溶液，如恒沸、近沸组分混合物时，其相对挥发度常低于近沸组分混合物时，其相对挥发度常低于1.1，采用普通蒸馏通常是不可行的。，采用普通蒸馏通常是不可行的。特种精馏过程：萃取精馏、恒沸精馏、加盐精特种精馏过程：萃取精馏、恒沸精馏、加盐精馏、分子蒸馏；馏、分子蒸馏；以反应与传递相互促进的反应蒸馏；以反应与传递相互促进的反应蒸馏；以膜为界面的膜蒸馏等过程。以膜为界面的膜蒸馏等过程。概概 述述.混合物组分的三角图混合物组分的三角图.三组分相图与蒸馏边界三组分相图与蒸馏边界 在三组分体系的蒸馏，可以采用等边或直角三角形图来表示，三个顶点表示各在三组分体系的蒸馏，可以采用等边或直角三角形图来表示，三个顶点表示各自纯组分浓度。三组分混合物的任一组成均可在三角形图内找到对应位点。自纯组分浓度。三组分混合物的任一组成均可在三角形图内找到对应位点。图图a：(A:B:C 甲醇甲醇:乙醇乙醇:丙醇丙醇)没有恒沸点，只有一个蒸馏区；没有恒沸点，只有一个蒸馏区；图图b：(A:B:C 丙酮丙酮:甲醇甲醇:乙醇乙醇)形成一个恒沸点，不存在蒸馏边界；形成一个恒沸点，不存在蒸馏边界；图图c：(A:B:C 辛烷辛烷:2氧乙基乙醇氧乙基乙醇:乙烷基苯乙烷基苯)具有二个恒沸点，三角图被蒸馏边具有二个恒沸点，三角图被蒸馏边界（粗曲线）分成二个区域。界（粗曲线）分成二个区域。.间歇蒸馏或微分蒸馏间歇蒸馏或微分蒸馏对于简单的间歇蒸馏或对于简单的间歇蒸馏或微分蒸馏（无塔板、回微分蒸馏（无塔板、回流），如右图所示，液流），如右图所示，液体在釜中沸腾，气体在体在釜中沸腾，气体在逸出后即移走，每一微逸出后即移走，每一微分量的生成气体与釜中分量的生成气体与釜中的残余液体呈汽液平衡，的残余液体呈汽液平衡，液相组成连续变化。液相组成连续变化。简单蒸馏示意图简单蒸馏示意图.间歇蒸馏或微分蒸馏的间歇蒸馏或微分蒸馏的瞬间物料平衡瞬间物料平衡对于三元混合物的蒸馏，假定釜中液体完全混合并处对于三元混合物的蒸馏，假定釜中液体完全混合并处于泡点温度，则任意组分于泡点温度，则任意组分i 的物料衡算：的物料衡算：式中:xi 为釜中残余液体为釜中残余液体W摩尔中组分摩尔中组分i的摩尔分数；的摩尔分数；yi 为与为与xi成平衡的瞬间馏出蒸汽中组分成平衡的瞬间馏出蒸汽中组分i的摩尔分数。的摩尔分数。.无因次时间无因次时间由于由于W随时间随时间t改变，设无因次时间改变，设无因次时间为与为与W和和t有有关的中间变量，则关的中间变量，则合并以上二式，可得若蒸馏的初始条件为：若蒸馏的初始条件为：t=0,xi=xi0,则可解得任意时间的则可解得任意时间的 由于由于Wt随时间单调降低，随时间单调降低，t必定随时间单调增加。必定随时间单调增加。.液相组成与无因次时间液相组成与无因次时间的关系的关系描述三元物系的简单蒸馏过程描述三元物系的简单蒸馏过程：i=1,2 i=1,2,3泡点温度方程泡点温度方程 该系统有该系统有7个方程组成，其中有个方程组成，其中有9个变量：个变量：p,T,x1,x2,x3,y1,y2,y3和和。如果操作压力恒定，则后面如果操作压力恒定，则后面7个变量可作为无因次时间个变量可作为无因次时间的函数。在规定蒸的函数。在规定蒸馏的初始条件下，沿馏的初始条件下，沿增加或减小的方向可计算出液相组成的连续变化。增加或减小的方向可计算出液相组成的连续变化。.剩余曲线的定义与特征剩余曲线的定义与特征(Residue-Curve)在三角相图上，液相组成随时间变化的曲线称在三角相图上，液相组成随时间变化的曲线称为剩（残）余曲线。为剩（残）余曲线。同一条剩余曲线上，不同点对应着不同的蒸馏同一条剩余曲线上，不同点对应着不同的蒸馏时间，箭头指向时间增加的方向，也是温度升时间，箭头指向时间增加的方向，也是温度升高的方向。高的方向。对于复杂的三元相图，残余曲线按簇分布，不对于复杂的三元相图，残余曲线按簇分布，不同簇的剩余曲线具有不同的起点和终点，构成同簇的剩余曲线具有不同的起点和终点，构成不同的蒸馏区域不同的蒸馏区域。.纯组分的剩余曲线图纯组分的剩余曲线图.两组分共沸物的剩余曲线图两组分共沸物的剩余曲线图.三组分共沸物的剩余曲线图三组分共沸物的剩余曲线图 .稳定节点、不稳定节点和鞍形点稳定节点、不稳定节点和鞍形点纯组分的顶点、二元或三元混合物的共沸点被纯组分的顶点、二元或三元混合物的共沸点被称为特殊点，按其附近剩余曲线的形状和趋向称为特殊点，按其附近剩余曲线的形状和趋向不同可分为稳定节点、不稳定节点和鞍形点三不同可分为稳定节点、不稳定节点和鞍形点三类：类：1.稳定节点是指所有剩余曲线的汇聚点；稳定节点是指所有剩余曲线的汇聚点；2.不稳定节点是指所有剩余曲线的发散点；不稳定节点是指所有剩余曲线的发散点；3.鞍形点则指其附近的剩余曲线为双曲线型。鞍形点则指其附近的剩余曲线为双曲线型。4.在同一蒸馏区域中，剩余曲线簇仅有一个稳定节点和一在同一蒸馏区域中，剩余曲线簇仅有一个稳定节点和一个不稳定节点。个不稳定节点。.例题例题 6-1正丙醇正丙醇(1)-异丙醇异丙醇(2)-苯苯(3)三三元物系的剩余曲线计算元物系的剩余曲线计算已知：已知：正丙醇正丙醇(1)-异丙醇异丙醇(2)-苯苯(3)三个纯组分的正常沸点分别为三个纯组分的正常沸点分别为97.3、82.3和和80.1；在操作压力为在操作压力为101.3kPa下，下，由此组成的由此组成的三元物系，起始组三元物系，起始组成成(摩尔分数摩尔分数)为：为：组分组分1、3和和2、3均形成二元最低共沸物，共沸温度分别为均形成二元最低共沸物，共沸温度分别为77.1和和71.7。汽液平衡常数可按下式计算：汽液平衡常数可按下式计算：式中，式中，i i 为为液相活度系数液相活度系数。试试计算并绘制正丙醇计算并绘制正丙醇(1)-异丙醇异丙醇(2)-苯苯(3)的剩余曲线图。的剩余曲线图。.三元物系的剩余曲线计算解：解：由式（3-7）和式（3-8）作泡点计算，得到起始气相组成：和温度的起始值：79.07。指定指定 的增量，用欧拉法解微分方程式（的增量，用欧拉法解微分方程式（3-5），求得和），求得和 ，再由式（，再由式（3-6）得到，然后由式（）得到，然后由式（3-7）和式（）和式（3-8）求解）求解相应的相应的y值和值和T值。当值。当 增加后重复上述计算。这样，从式增加后重复上述计算。这样，从式（3-5）获得：）获得：式中上标（式中上标（0）表示起始值；上标（）表示起始值；上标（1）表示增加）表示增加 后的计算值。后的计算值。取取 是合适的，因是合适的，因 的变化仅为的变化仅为2.7%。以此类推：。以此类推：.三元物系的剩余曲线计算以此类推：以此类推：由式（由式（3-6）：）：再经泡点计算得：再经泡点计算得：计算沿计算沿 增加的方向进行至增加的方向进行至 ，再沿相反方向计算至，再沿相反方向计算至 。.计算结果计算结果 x1x2y1y2T/-1.0-0.9-.08-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.15150.15570.16000.16440.16900.17370.17860.18370.18890.19440.20000.20560.21150.21750.22370.23020.23690.24390.25120.25870.26650.21730.21540.21350.21170.20990.20810.20640.20470.20310.20150.20000.19850.19700.19550.19410.19280.19150.19020.18900.18780.18670.11120.11410.11710.12010.12320.12640.12970.13310.13650.14010.14370.14740.15120.15520.15890.16290.16710.17140.17580.18040.18500.23670.23440.23220.23000.22780.22560.22350.22140.21940.21730.21540.21340.21150.20950.20760.20580.20410.20230.20060.19890.197378.6778.7178.7578.7978.8378.8778.9178.9579.0079.0579.0779.1479.1979.2479.3079.2479.4179.4879.5479.6179.68.正丙醇正丙醇-异丙醇异丙醇-苯三元物系的剩余曲线图苯三元物系的剩余曲线图 该三元物系的所有剩余曲线都起始于异丙该三元物系的所有剩余曲线都起始于异丙醇醇-苯的共沸物苯的共沸物D（71.7）。其中一条剩余）。其中一条剩余曲线曲线DE终止于正丙醇终止于正丙醇-苯二元共沸点苯二元共沸点E（77.1），将三角相图分成两个蒸馏边界。），将三角相图分成两个蒸馏边界。处于蒸馏边界右上方的所有剩余曲线终止处于蒸馏边界右上方的所有剩余曲线终止于正丙醇顶点于正丙醇顶点C，该区域内的最高沸点，该区域内的最高沸点（97.3）；）；处于蒸馏边界左下方的剩余处于蒸馏边界左下方的剩余曲线都终止在纯苯的顶点曲线都终止在纯苯的顶点B，它是第二蒸馏，它是第二蒸馏区域的最高沸点区域的最高沸点80.1。若原若原 料组成落在料组成落在ADEC区域内，蒸馏过程区域内，蒸馏过程液相组成趋于液相组成趋于C点，蒸馏釜中最后一滴液体点，蒸馏釜中最后一滴液体是纯正丙醇。位于是纯正丙醇。位于DBE区域的原料蒸馏结区域的原料蒸馏结果为纯苯（果为纯苯（B点）。点）。蒸馏区域边界（如蒸馏区域边界（如DE）均开始）均开始 和终结于纯和终结于纯组分顶点或共沸物。组分顶点或共沸物。.蒸馏曲线的计算蒸馏曲线的计算剩余曲线表示单级间隙蒸馏过程中的残余剩余曲线表示单级间隙蒸馏过程中的残余液体组成随时间的变化；液体组成随时间的变化；曲线指向时间增长方向，从较低沸点状态曲线指向时间增长方向，从较低沸点状态到较高沸点状态。到较高沸点状态。在三角相图上，以连续精馏塔内在全回流在三角相图上，以连续精馏塔内在全回流条件下的液体组成分布表示的曲线，称为条件下的液体组成分布表示的曲线，称为精馏曲线。精馏曲线。计算可从任何组成开始，可沿塔向上或向计算可从任何组成开始，可沿塔向上或向下计算。下计算。.蒸馏曲线的计算蒸馏曲线的计算以自下而上进行逐板计算为例：液相组成在全回流条件下具有下列操作关系：液相组成在全回流条件下具有下列操作关系：离开同一级板上物料的汽、液组成呈以下平衡关离开同一级板上物料的汽、液组成呈以下平衡关系：系：对给定操作压力条件下的精馏曲线，起始液相组对给定操作压力条件下的精馏曲线，起始液相组成为成为xi,1，计算可得第一级平衡汽相组成，计算可得第一级平衡汽相组成yi,1,并进并进行重复计算过程得到行重复计算过程得到xi,3,xi,4等。等。将所得到液体组成数据可在三角相图上得到一条将所得到液体组成数据可在三角相图上得到一条全回流条件下的精馏曲线。全回流条件下的精馏曲线。.例6-2 蒸馏曲线计算蒸馏曲线计算由例6-1已知三种化合物的起始值x(1)分别是0.2000、0.2000和0.6000，在给定温度79.07下计算的泡点y(1)分别为0.1437、0.2154和0.6409，由(3-9)可知x(2)分别为0.1437、0.2154和0.6409。在温度为T(2)78.62时，化合物的泡点y(2)分别为0.1063、0.2360和0.6577。（计算结果见下表）.平衡期x1x2y1y2T/10.20000.20000.14370.215479.0720.14370.21540.10630.236078.6230.10630.23600.07940.259778.2940.07940.25970.05920.284678.0250.05920.28460.04370.309177.80各平衡期点的蒸馏曲线各平衡期点的蒸馏曲线.丙醇丙醇-异丙醇异丙醇-苯三组分体系的计算蒸馏曲线图苯三组分体系的计算蒸馏曲线图.剩余曲线与精馏曲线的比较剩余曲线与精馏曲线的比较已知：已知：1.剩余曲线不能穿越蒸馏边界；精馏剩余曲线不能穿越蒸馏边界；精馏曲线边界与蒸馏边界通常相接近。曲线边界与蒸馏边界通常相接近。推论：推论：2.全回流比下操作的精馏塔的组成分全回流比下操作的精馏塔的组成分布也不能穿越蒸馏边界；布也不能穿越蒸馏边界；近似处理：近似处理：3.在一定回流比下操作的精馏塔的组在一定回流比下操作的精馏塔的组成分布也不能穿越蒸馏边界成分布也不能穿越蒸馏边界.精馏曲线图的用途精馏曲线图的用途1.精馏产物组成分析；精馏产物组成分析；2.开发可行的精馏流程；开发可行的精馏流程；3.评价分离方案和确定最适宜的分离流程；评价分离方案和确定最适宜的分离流程；4.为集成过程设计提供理论依据。为集成过程设计提供理论依据。.全回流下的产物组成区全回流下的产物组成区(a)物料平衡线和蒸馏图 （b）产物组成图对给定物料平衡线，对给定物料平衡线，D和和B组分点必须在相同的蒸馏组分点必须在相同的蒸馏曲线上，这导致在两个点上物料平衡线与蒸馏曲线曲线上，这导致在两个点上物料平衡线与蒸馏曲线交叉。交叉。.在全回流下的产物组成区在全回流下的产物组成区 剩余曲线图和蒸馏曲线图被用于非理想三元混合物蒸馏初步估算可能生成产物区域，产物区域由添加塔物料平衡线在曲线图上决定。等压条件下非恒沸系统，对具有三条剩余曲线的典型等压剩余曲线图。假定在全回流条件下蒸馏曲线图是理想的。在高回流比、等压操作条件下，进料为F被连续精馏成塔顶产物D、塔釜产物B。将蒸馏物与塔釜物组成用直线连接，为了满足总的和组成物料平衡，直线必须经过在中间点的进料组分。.给定料液组成的产物区域分析给定料液组成的产物区域分析有二个最小沸点的双元恒沸物有二个最小沸点的双元恒沸物 若蒸馏组分区域为若蒸馏组分区域为D2，塔低组分为，塔低组分为B2，进料在蒸馏区域内，进料在蒸馏区域内，纯的辛烷不能获得；若蒸馏的进料在右边蒸馏区域，则不纯的辛烷不能获得；若蒸馏的进料在右边蒸馏区域，则不能在塔釜获得乙基苯产物。能在塔釜获得乙基苯产物。.给定料液组成的产物区域分析给定料液组成的产物区域分析有三个双元和一个三元恒沸点组成的体系物有三个双元和一个三元恒沸点组成的体系物 由二个最小恒沸点和一个最大恒沸点二元恒沸物、以及一个三元恒沸点由二个最小恒沸点和一个最大恒沸点二元恒沸物、以及一个三元恒沸点组成的系统中，具有四个蒸馏区域，可能的产物区域受到限制。组成的系统中，具有四个蒸馏区域，可能的产物区域受到限制。.鞍形三元共沸物体系等温线鞍形三元共沸物体系等温线.具有两个二元共沸物体系的等温线具有两个二元共沸物体系的等温线.具有四个共沸物体系的等温线具有四个共沸物体系的等温线.等泡点温度线等泡点温度线.习题习题恒压下的等温线与等泡点（等露点）温度恒压下的等温线与等泡点（等露点）温度线是否相同？为什么？线是否相同？为什么？.二个温度下的汽液平衡系线二个温度下的汽液平衡系线 等泡点线和等露点线等泡点线和等露点线.等压下非均相三元汽液平衡相图等压下非均相三元汽液平衡相图实线汽相中丙烯腈分子；虚线汽相中乙腈分子实线汽相中丙烯腈分子；虚线汽相中乙腈分子在非均相在非均相区，无论两液相的比例变化，其汽相组成都一样（标注系线上）。区，无论两液相的比例变化，其汽相组成都一样（标注系线上）。.反应（催化）精馏反应（催化）精馏.反应（催化）精馏反应（催化）精馏 将化学反应和蒸馏结合起来同时进行的操将化学反应和蒸馏结合起来同时进行的操作过程称为反应蒸馏。作过程称为反应蒸馏。其中1.若化学反应在液相进行的称为反应蒸馏；若化学反应在液相进行的称为反应蒸馏；2.若化学反应在固体催化剂与液相的接触表面上进若化学反应在固体催化剂与液相的接触表面上进行，称为催化蒸馏。行，称为催化蒸馏。.反应精馏的应用反应精馏的应用.醋酸甲酯反应精馏塔醋酸甲酯反应精馏塔由由1983年年Estman化学公司开发的反应精馏工艺化学公司开发的反应精馏工艺.反应精馏的基本特点1.反应与蒸馏同时进行，在适当的回流比下，反应与蒸馏同时进行，在适当的回流比下，反应物可完全转化为产品；反应物可完全转化为产品；2.在反应蒸馏塔中没有未转化反应物的循环在反应蒸馏塔中没有未转化反应物的循环（在塔内部循环）；（在塔内部循环）；3.对放热反应，其反应热可直接供精馏用。对放热反应，其反应热可直接供精馏用。.几种反应精馏流程几种反应精馏流程反应反应AC,若产物比反应物易挥发若产物比反应物易挥发C CA A，进料位置在塔下部或塔釜进料位置在塔下部或塔釜反应反应AC,若反应物比产物易挥发若反应物比产物易挥发A A C C，进料位置在塔上部或塔顶，进料位置在塔上部或塔顶.几种反应精馏流程几种反应精馏流程反应反应ACD 或或ACD,C 为目的产物，相对挥发度为目的产物，相对挥发度C CA A D D 反应反应A+BC+D,反应物的挥发度介于两产物之间，反应物的挥发度介于两产物之间，C CA A B B dd反应反应A+BC+D,相对挥发度，相对挥发度，A A B B C CD D.几种催化精馏流程的反应段位置几种催化精馏流程的反应段位置a-异戊烯醚脱醚；异戊烯醚脱醚；b-苯烷基化；苯烷基化；c-合成合成MTBE注：催化剂填充段应放在反应物含量最大的区域。注：催化剂填充段应放在反应物含量最大的区域。.反应平衡常数反应平衡常数 K 对三组分反应：对三组分反应：A+B=2C反应平衡常数：反应平衡常数：K=x2C/xAxB式中，式中，K为平衡常数。为平衡常数。K值低：反应平衡线靠近值低：反应平衡线靠近A-B双组分一侧；双组分一侧；K值高：反应平衡线靠近值高：反应平衡线靠近A-C和和B-C双组分线的角上。双组分线的角上。.Damkhler数数 大多数反应蒸馏系统的平衡特性是介于相平衡大多数反应蒸馏系统的平衡特性是介于相平衡与反应平衡之间，与反应平衡之间，Venimadhavan 等建议使用等建议使用Damkhler数来表征这种变化。数来表征这种变化。式中，式中，HO持液量持液量,mol；kf,min 为拟一级速率常数为拟一级速率常数s-1；V0为蒸汽速率为蒸汽速率mol/s。Da为液体停留时间与反应时间之比。为液体停留时间与反应时间之比。.Da 和和K值对反应蒸馏的影响值对反应蒸馏的影响DaDaK K反应形式反应形式过程特色过程特色低低低低 正反应慢、逆反应快，无产正反应慢、逆反应快，无产物生成，过程难以实现。物生成，过程难以实现。需要大的持液量，反应蒸馏无特需要大的持液量，反应蒸馏无特色。色。低低高高 正反应慢、逆反应更慢，产正反应慢、逆反应更慢，产物收率高。物收率高。塔板持液量不是太大，有利于反塔板持液量不是太大，有利于反应蒸馏。应蒸馏。高高低低 产物生成速率快，逆反应更产物生成速率快，逆反应更快，仅少量产物引成。快，仅少量产物引成。如果产物能从反应区域及时去除，如果产物能从反应区域及时去除，则反应蒸馏特色明显则反应蒸馏特色明显高高高高 正反应快、逆反应慢，属不正反应快、逆反应慢，属不可逆反应，在简单反应器内可逆反应，在简单反应器内能进行。能进行。为使竞争反应最小化，常需调整为使竞争反应最小化，常需调整反应蒸馏条件反应蒸馏条件.当当Da0.5,反应时间相对较小于停留时间，反应时间相对较小于停留时间，那么系统由相平衡占主导地位；那么系统由相平衡占主导地位；当当Da10，那么反应速率很快，化学平衡那么反应速率很快，化学平衡占主导地位；占主导地位；如果如果Damkhler数在此数据之间，则既不数在此数据之间，则既不是相平衡也不是化学平衡控制，需要采用是相平衡也不是化学平衡控制，需要采用速率模型计算。速率模型计算。.Damkhler数对过程控制和设计要素影响数对过程控制和设计要素影响 Damkhler数 过程控制类型过程平衡现象过程设计要素Da0.5相平衡控制在非反应混合物中的恒沸物强烈影响反应级需要大的停留时间，相平衡模型不能估算产物时，需用速率模型设计塔。Da10.0化学平衡控制可假定反应级为化学平衡，每级为具有气液产物的平衡反应器已有几种商用模拟元件用于此类反应蒸馏级的设计。0.5Da10.0速率限制动力学和相平衡有重要影响需用速率模型同时考虑动力学和相平衡.反应蒸馏过程反应蒸馏过程对液相反应A+B2C设积分得：则可得：.当 ，加热速度很慢 当V/V0时，蒸发速度较快 .非反应体系的剩余曲线非反应体系的剩余曲线.Da=100,反应精馏剩余曲线 a.加热速度慢；b.蒸发速度很快.Da=5,反应精馏剩余曲线 a.加热速度慢；b.蒸发速度很快.Da=1,反应精馏剩余曲线 a.加热速度慢；b.蒸发速度很快.不同反应平衡常数时的平衡曲线不同反应平衡常数时的平衡曲线.反应蒸馏的动力学限制特性反应蒸馏的动力学限制特性 对反应蒸馏过程用平衡级模型来表述是困难的，对反应蒸馏过程用平衡级模型来表述是困难的，大多数是采用非平衡模型来描述，通常必须考虑大多数是采用非平衡模型来描述，通常必须考虑以下几个方面：以下几个方面：气液相平衡、相间传质速率、反应相内气液相平衡、相间传质速率、反应相内(通常为通常为液相液相)的传质速率、反应速率、催化剂内的传质及的传质速率、反应速率、催化剂内的传质及其活性、产物在液体相内的传质。其活性、产物在液体相内的传质。一般可采用气液界面的双膜吸收理论。一般可采用气液界面的双膜吸收理论。.Hatta数数若定义若定义Hatta数为：数为：式中，式中，DA为组分为组分A的扩散系数；的扩散系数；kL为液相传质系数；为液相传质系数；.速率限制模型的现象与设计要素速率限制模型的现象与设计要素参数比较参数比较动力学动力学机制机制 反应蒸馏过程现象反应蒸馏过程现象 设计关键或要素设计关键或要素Ha21慢k1akL慢动力学为常见反应蒸馏过程，液相反应物浓度是重要的。只需考虑相平衡和反应动力学，传质速率可忽略k1akL慢扩散在液相反应呈平衡，传质控制仅需考虑二相之间传质速率k1akL慢混合动力学与扩散项近似相等。需同时考虑反应和传质，气液接触或催化剂改善能强化过程。Ha21快总速率主要取决于增强因子，Ha3，总速率与传质系数无关，正比于界面积和反应速率的平方根。需要仔细考虑膜内和主体液流中的反应，否则对慢扩散模型误差严重。.反应蒸馏塔的设计计算反应蒸馏塔的设计计算.反应蒸馏塔的设计计算反应蒸馏塔的设计计算板式连续反应蒸馏塔的稳态模拟尽管存在板式连续反应蒸馏塔的稳态模拟尽管存在各种各样计算方法，但所用数学模型本质各种各样计算方法，但所用数学模型本质相同。相同。均可假定各板为全混反应器，离开塔均可假定各板为全混反应器，离开塔的气液两相处于平衡；反应仅发生于的气液两相处于平衡；反应仅发生于液相，过程为稳态。液相，过程为稳态。.反应蒸馏塔及其平衡级反应蒸馏塔及其平衡级.围绕级围绕级j的组分物料衡算方程（的组分物料衡算方程（M方方程）程）式中式中,下标下标 i为组分；为组分；j为平衡级。为平衡级。Rj为在级为在级j上的反应速率，对反应物为负，产物为正；上的反应速率，对反应物为负，产物为正；V为蒸汽流速；为蒸汽流速；L液体流速；液体流速；y为气相摩尔组成；为气相摩尔组成；x为液相摩尔组成；为液相摩尔组成；Z为进料组成；为进料组成；.气气-液相平衡方程（液相平衡方程（E方程）方程）式中，Ki,j代表相平衡常数，为温度、组成和压力的函数。.气、液相组成和为1（S方程）.围绕级围绕级j的热量衡算方程的热量衡算方程（H方程）方程）式中：Hfj为进料焓；Hrj为反应热.总反应速率为各级上反应速率之总反应速率为各级上反应速率之总和（总和（R方程）方程）.可采用的可采用的计算方法计算方法1.方程解离法（三对角矩阵法）方程解离法（三对角矩阵法）将将E方程代入方程代入M方程，消去方程，消去Yij,以气相流率表示液相流率，使组分以气相流率表示液相流率，使组分i构成构成一个三对角矩阵；一个三对角矩阵；2.同时校正法（同时校正法（Newton-Raphson法）法）用于非理想性较强和反应级数大于用于非理想性较强和反应级数大于1的系统，收敛速度快；的系统，收敛速度快；3.松驰法松驰法 为用非稳态方程来确定稳态解的一种方式。为用非稳态方程来确定稳态解的一种方式。将将M方程式左边的对时间的方程式左边的对时间的导数项用欧拉反差公式来代替，经整理成三对角矩阵。导数项用欧拉反差公式来代替，经整理成三对角矩阵。.反应蒸馏塔形式的选用反应蒸馏塔形式的选用1.反应反应A R或或A2R，其中，其中R的挥发度高于的挥发度高于A。在这种情况下反应蒸馏塔只需带再沸器的精。在这种情况下反应蒸馏塔只需带再沸器的精馏段。馏段。纯组分纯组分A送到再沸器内，绝大部分送到再沸器内，绝大部分(或全部或全部)反应在反应在再沸器内进行，随着再沸器内进行，随着R的生成，它汽化，通过精馏塔并的生成，它汽化，通过精馏塔并被提纯，从塔顶出来的蒸气被冷凝，部分冷凝液回入塔被提纯，从塔顶出来的蒸气被冷凝，部分冷凝液回入塔内作为回流化学反应也可能在塔内发生内作为回流化学反应也可能在塔内发生 当当A和和R形成高沸点恒沸物时，若仍使用这种形式的形成高沸点恒沸物时，若仍使用这种形式的反应蒸馏塔，则在稳态条件下再沸器中反应蒸馏塔，则在稳态条件下再沸器中R的摩尔分数大的摩尔分数大于恒沸组成。于恒沸组成。.反应蒸馏塔形式的选用反应蒸馏塔形式的选用2.反应AR或2AR，其中A为低沸点或挥发度较高的组分，在此情况下反应蒸馏塔只需要提留段。纯组分A从塔顶进料，在向下流动的过程中，反应生成R，该塔需有全凝器和部分再沸器，没有产品从塔顶引出，产品R从再沸器引出，这种形式反应蒸馏塔的设计中需要对反应完成的位置进行测定，因为在塔内某一位置可能达到化学平衡，低于该位置会进行可逆反应。.反应蒸馏塔形式的选用反应蒸馏塔形式的选用3.3.反应2AR+S或A+BR+S。其中A和B的挥发度在R和S之间，R的挥发度最高。在此情况下，料液从全馏塔中部加入，R从塔顶引出，S从塔底引出。如果B比A难挥发，则可在A入口处稍高些处加入B。.催化蒸馏塔催化剂的装填催化蒸馏塔催化剂的装填由于催化蒸馏过程中的催化剂既起催化作由于催化蒸馏过程中的催化剂既起催化作用，又起传质表面的作用，不仅要求催化用，又起传质表面的作用，不仅要求催化剂结构有较高的催化效率，同时又要有较剂结构有较高的催化效率，同时又要有较好的分离效率。好的分离效率。因此因此 反应段催化剂床层的结构设计与安装是催反应段催化剂床层的结构设计与安装是催化蒸馏技术的关键。化蒸馏技术的关键。.催化剂装填方式催化剂装填方式必须满足下列条件：必须满足下列条件：1.使反应段催化剂床层具有足够的自由空间，提供汽液相的流动通道，以利于液相反应和汽液传质。（有效的空间应该达到一般填料所具有的分离效果，以及设计允许的塔盘压力降）；2.具有足够的表面积进行催化反应；3.允许催化剂颗粒的膨胀和收缩，而不损伤催化剂。.两类成功的装填方法两类成功的装填方法1.拟固定床装填方式；拟固定床装填方式；2.拟规整填料装填方式。拟规整填料装填方式。.拟固定床式装填 koch公司改进的降液管装填方式 1.液体分布器；2.进料口；3.塔板；4.精馏塔；5.降液管；6.管内液体分布器；7.塞子；8.催化剂装卸管；9.连接管；10.液体收集装置；11.催化剂床层；12.催化剂；13.筛孔；14.降液管口.拟固定床式装填拟固定床式装填 UOP公司装填方式 1.塔壁；塔壁；2.催化剂床层；催化剂床层；3.蒸汽通道；蒸汽通道；4.催化剂卸出口；催化剂卸出口；5.普通塔板；普通塔板；6.催化剂装入口催化剂装入口.拟填料式装填拟填料式装填将粒状催化剂与惰性粒子混装入塔内 催化剂与惰性粒子混装 1.塔壁；2.筛网包裹的惰性粒子；3.催化剂.拟填料式装填拟填料式装填将催化剂装在金属网框间的空隙中 催化剂装在金属网框间的空隙中 1.塔壁；2.金属网箱；3.催化剂.拟填料式装填拟填料式装填采用催化剂捆扎包的形式 捆扎包结构 1.催化剂小袋；2.波纹丝网；3.催化剂.拟填料式装填拟填料式装填将催化剂粒子放入二块波纹网板之间 复合波纹网板结构 1、2.波纹网板；3.催化剂；4.网扳间距调节棒.