反应精馏

反应精馏1、反应精馏的简介反应精馏是一种将反应过程和精馏过程结合在一起，且在同一个设备(蒸馏塔)内进行的藕合过程。它有许多优点，可以替代某些传统工艺过程如醚化、加氢、芳烃烷基化、酷化等反应，在工业上得到了一定的重视。但长期以来，对于反应精馏仅限于工艺的研究，直到上世纪80年代，反应精馏的基础理论性研究才开始引起研究人员的兴趣和重视。1、反应精馏的简介化工生产中，反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中进行。若能将两者结合起来，在一个设备中同时进行，将反应生成的产物或中间产物及时分离，则可以提高产品的收率，同时又可利用反应热供产品分离，达到节能的目的。1、反应精馏的简介反应精馏具有以下优点:［1］选择性高;［2］使可逆反应回收率提高;［3］温度易于控制，避免出现热点问题;［4］缩短反应时间，强化设备生产能力;［5］能耗低［6］操作费用低;投资少。由于反应和精馏之间存在着很复杂的相互影响，反应精馏过程比单纯的反应和精馏过程的研究复杂得多。至今仍未形成完整的理论体系。有关反应精馏的理论研究和应用研究已经成为各国专家们研究热点。2、反应精馏的原理反应精馏就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程。原理是：对于可逆反应，当某一产物的挥发度大于反应物时，如果将该产物从液相中蒸出，则可破坏原有的平衡，使反应继续向生成物的方向进行，因而可提高单程转化率，在一定程度上变可逆反应为不可逆反应。2、反应精馏的原理3、使用反应精馏的基本要求必须满足以下基本要求:(1)化学反应必须在液相中进行(2)在操作系统压力下，主反应的反应温度和目的产物的泡点温度接近，以使目的产物及时从反应体系中移出;(3)主反应不能是强吸热反应，否则精馏操作的传热和传质会受到严重影响，会使塔板分离效率减低，甚至使精馏操作无法顺利进行;(4)主反应时间和精馏时间相比较，主反应时间不能过长，否则精馏塔的分离能力不能得到充分利用;(5)对于催化蒸馏，要求催化剂具有较长的使用寿命，因为频繁地更换催化剂需要停止反应精馏操作，从而影响到生产效率，同时增加了生产成本;(6)催化剂的装填结构不仅能使催化反应顺利进行，同时要保证精馏操作也能较好地进行。4、反应精馏的分类根据使用催化剂形态的不同，反应精馏可以分为均相反应精馏和催化蒸馏;根据投料操作方式，反应精馏可以分为连续反应精馏和间歇反应精馏;根据化学反应速度的快慢，反应精馏分为瞬时、快速和慢速反应精馏。5、反应精馏适用的物系根据反应物和产物的相对挥发度不同，可以将反应内的反应分为5类:(1)所有产物的挥发度大于所有反应物的挥发度;(2)所有反应物的挥发度大于所有产物的挥发度;(3)所有产物的挥发度介于反应物的挥发度之间;(4)所有反应物的挥发度介于产物的挥发度之间;(5)反应物和产物的挥发度大小是相间排列的。对于第一、第二和第四3种情况，使用反应精馏比化学反应和精馏分离单独进行时更为有效。所以最好使用反应精馏操作来生产目的产物。6、1伴有化学反应的精馏方法伴有化学反应的精馏方法,有的用精馏促进反应,有的用反应促进精馏。用精馏促进反应，就是通过精馏不断移走反应的生成物，以提高反应转化率和收率。如醇加酸生成酯和水的酯化反应是一种可逆反应，将这个反应放在精馏塔中进行时，一边进行化学反应，一边进行精馏，及时分离出生成物酯和水。这样可使反应持续向酯化的方向进行。这种精馏在同一设备内完成化学反应和产物的分离，使设备投资和操作费用大为降低。但采用这种方法必须具备一定的条件：①生成物的沸点必须高于或低于反应物；②在精馏温度下不会导致副反应等不利影响的增加。目前在工业上主要应用于酯类（如乙酸乙酯）的生产。6、2伴有化学反应的精馏方法用反应促进精馏，就是在混合物中加入一种能与被分离组分发生可逆化学反应的物质（第三组分），以提高其相对挥发度，使精馏容易进行。如在混合二甲苯中加入异丙苯钠，后者与对二甲苯和间二甲苯反应生成对二甲苯钠和间二甲苯钠,两者反应平衡常数相差很大,可使对二甲苯与间二甲苯的相对挥发度增大很多。这种方法对增大相对挥发度比较有效。但由于第三组分的回收和循环使用比较困难，使其应用受到限制。7、反应精馏技术的工艺研究现状反应精馏技术的工艺研究现状反应精馏技术经历了近70年的发展，已在醚化、加氢、烷基化、醋化、醋交换、皂化、水解、卤化、胺化、乙酞化、硝化及脱水等反应中得到了应用。目前许多工艺已较成熟，且借助于计算机模拟手段，研究范围得到进一步扩大，出现了许多新的应用类型。表1列出了近年来在反应精馏技术上的部分研究进展情况。8、反应精馏技术的应用进展反应精馏仅适用于反映过程和反应组分的蒸馏分离可以在同一温度条件下进行的化学反应。如果反应组分之间存在有恒沸现象，或者反应物与产物的沸点非常接近时，反应精馏技术则不适用。已经达到商业规模或者进行过实验室研究的工业上，重要的反应精馏过程主要包括以下反应类型：8、反应精馏技术的应用进展8.1烷基化乙烯与苯烷基化的CD塔由二部分组成，上部填装特殊设计的捆扎包内装Y型分子筛，下部安装精馏塔板，乙烯从催化剂层底部进料，苯从回流罐进塔，过程的特点是反应温度受饱点温度制约，避免反应区热点的生成，提高了催化剂的寿命，副产物二乙丙苯和三异丙苯返回CD塔，与苯进行烯烃转移反应生成更多的异丙苯，消除了大量苯的循环，反应热有效利用。与传统工艺比较，CD过程节能50%，投资降低25%。但是催化剂的活性和选择性相差较大，因此必须开发出适合的催化剂。8、反应精馏技术的应用进展8.2叠合过程采用反应精馏技术可使烯烃分子有选择的叠合，因为精密的温度控制和反应段的宽分布将减少非理想产品的二聚物、三聚物或高聚物的生成，丁烯叠合的反应精馏工艺目前已获工业许可。8.3烯烃选择性加氢已经证明，反应精馏可使不需要的烯烃杂质选择加氢，使其失去化学活性或不有利于精馏分离去除。目前，可应用反应精馏技术的有:丁二烯、戊二烯及己二烯选择性加氢。8、反应精馏技术的应用进展8.4酯转移某些化学反应所使用的酸具有腐蚀性。为了避免酸性腐蚀，可以以酯的形式引入酸。例如，甲酸甲酯分解会生成甲酸和甲醇，而甲酸一旦形成就被平衡反应消耗掉，这样避免了甲酸的腐蚀。8.5氧化脱氢如有合适的催化剂，就可使异丁烷氧化脱氢生成异丁烯。8.6Cl化学甲醛与甲醇反应生成甲缩醛，利用反应精馏，比采用常规多步工艺更为简洁。8、反应精馏技术的应用进展8.7醚化反应甲基叔丁基醚(MTBE)是应用CD技术第一个取得工业成功的产品，该过程与传统流程相比具有无反应器的外部循环和冷却;通过预反应有效脱除催化剂毒物。延长催化剂的使用寿命;充分利用反应放出的热量，反应物转化率高以及产品纯度高等特点。8.8酯化和水解乙酸甲酯(MeOAc)合成与水解的催化精馏工艺是近年来国内外研究和开发的热门话题，由于乙酸和甲醇的酯化受化学平衡的限制，且物系中有多个共沸物，故传统流程十分复杂，需多个反应器和精馏塔。8、反应精馏技术的应用进展8.9其它反应其它有可能利用反应精馏方法的领域包括:氧化，电化学，合成气反应，从醇和氨选择性地生产胺，羧基化反应。除此之外，通过引入第三组分(即反应夹带剂)，反应精馏技术就能用于分离沸点极为接近的混合物。如:分离C1芳烃，氯苯胺。甲基吡啶等同分异构体的混合物。9、反应精馏的工艺模拟和计算软件开发随着计算机科学的发展和反应精馏基础理论研究的深人，已成功地开发了可应用于反应精馏的计算机模拟软件，在分析、设计和优化反应精馏工艺上起了很大的作用，使研究程序大大简化。1.1PREDICIOR软件2.ZASPENPLUS和HYSYS软件10、1反应精馏技术的研究总结和前景展望反应精馏技术经历了几十年的发展，因其独特的优势而在化学工业中日益受到重视。由于反应段固体催化剂的选择及装填方式对催化蒸馏工艺有关键的作用，因此，国内的科研机构和高校在注重工艺开发的同时，也需要在催化剂及填料内件上多做研究，以取得更大突破。反应精馏与其他单元藕合的可行性和有效性，已经得到了证实。10、2反应精馏技术的研究总结和前景展望国内在这方面的研究起步较晚，据悉，西安交通大学已经对反应精馏和膜分离祸合工艺进行了研究，取得了一定进展。对于某些已成熟工艺，开发其在新领域的应用也具有重要意义，如将反应精馏用于分离的工艺研究。目前，反应精馏技术已在多个领域实现了产业化，对某些新领域的开发也取得了一定进展。随着节能和环保的要求日益提高，反应精馏技术将会发挥更大作用，是解决能源危机和缓解三废污染的有效途径。结合了先进的计算机模拟工具，相信反应精馏工艺在未来几十年将会有更好的发展。