合成碳酸二甲酯的反应精馏过程模拟与优化_非平衡级模型

论文导读:：以实际工业生产装置为对象，研究了酯交换法合成碳酸二甲酯的反应精馏过程的模拟与优化问题。建立了过程非平衡级模型，引入了分离效率函数，对模型进行求解，模拟结果与文献值吻合良好。成功地解决了复杂反应精馏过程模型的建立与求解问题，并在此基础上进行了操作条件的优化计算，同时用VB语言开发了完整实用的仿真软件。软件可用于碳酸二甲酯的反应精馏塔的工艺设计、操作过程分析和参数调优等工作中，对改进碳酸二甲酯的生产技术将起到一定的促进作用。
论文关键词：碳酸二甲酯，反应精馏，非平衡级模型，模拟，优化
 

1 引 言

碳酸二甲酯(简称DMC)是近年来发展迅速的一种新型绿色化工产品，是一种十分有用的有机合成中间体和性能优良的汽油添加剂^[1]。近年来对其生产工艺条件的研究报道很多，但是由于碳酸二甲酯的单程转化率比较低，其中酯交换法的反应精馏工艺是研究开发的主要方向。其反应条件温和而且生产工艺无污染、对环境友好，是目前合成碳酸二甲酯的先进生产方法之一^[2]。由于反应与精馏在同一塔内同时进行，相互之间的影响十分复杂，操作条件和设备参数的微小变化，对操作规律都会产生很大的影响，目前人们对反应精馏规律的认识不是很充分^[3]，有待于进一步的研究。这就使反应精馏过程的设计、放大、操作性能和控制方案的研究等方面均存在一定的难度。目前报道用计算机模拟此生产过程的文献较少非平衡级模型，因此用数学模拟的方法，对这种生产过程进行模拟分析，深入探讨反应精馏过程的生产规律是非常必要的。

2 反应精馏过程的非平衡级模型描述

模型的推导基于如下假设：每一级系统处于热力学平衡状态，即；气相在达到上一级前完全混合，液相为全混流；

相界面上无质量和能量累积，气液相只在相界面处达到平衡，在级内各点，传递系数相等，反应速率数值相同；过程处于稳态操作；反应只发生在液相，气相无反应。

全塔共有N＋1块板，冷凝器为第0块板，再沸器为第N块板，塔内共有C个组分。非平衡级模型示意图如图1所示核心期刊目录。

图1非平衡级示意图

2.1物料衡算方程

总物料：

(j=1,2,…,N-1) （1）

（j=0）　（2）

（j=N） 　 （3）

各组分物料：

气相：

（4）

液相：

（5）

式中：对反应物，生成物，对惰性组分, i=1,…,C,j=1,2,…,N-1。

（j=0） （6）

（j=N） （7）

2.2热量衡算方程

气相；

（8）

液相：

（9）

根据Taylor^[4]等对普通精馏的模拟计算结果，假设气液两相处于热平衡状态是合理的。据此，本反应精馏模型中假设气液两相达热平衡，以简化计算。简化结果是用板上总焓衡算方程

(j=1,2,…,N-1)（10）

代替（8）（9）两式。

（j=0）（11）

（j=N）（12）

2.3气液相界面处平衡方程

相平衡方程：（13）(i=1,…,C；j=0,1,…,N)

质量平衡方程：（14）

(i=1,…,C；j=1,2,…,N-1)

2.4归一方程

（15）

（16）

(j=0,1,…,N)

2.5传质速率方程

气相： （17）

液相： （18）

(i=1,…,C；j=1,2,…,N-1)

2.6反应速率方程

采用文献[2]中的动力学方程计算反应速率。反应方程式如下：

（19）

每级上的反应量：，其中为持液量。

上述方程组合一起构成了反应精馏全过程非平衡级模拟的数学模型。

3自由度分析

自由度分析见表1、表2所示。由表1和表2可知全塔模型方程自由度为2CN＋4N－2C。本文选择的设计变量分别为：气液相进料流量、组成、温度；气液相侧线采出量；回流比；塔顶采出量；再沸器和冷凝器的热负荷。

表1 全塔变量数分析

表2 全塔模型方程数分析

4模型求解

4.1分离效率函数

模型方程是一组隐式非线性方程组，求解十分复杂。在普通精馏的非平衡级模拟计算过程中，秦永胜^[5]引入分离效率函数非平衡级模型，利用此函数，可以大大简化模型方程组。作者将此思想引入到反应精馏过程中来，力图简化计算。

分离效率函数定义式为：

（20）

将式（11）（12）（15）（16）整理得到

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