反应精馏

反应精馏
摘要反应精馏是一种将反应过程和精馏过程结合在一起，且在同一个设备内进行的藕合过程。

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。

具有选择性高，能耗低操作费用低、投资少，温度易于控制，回收率高等优点。

反应精馏技术已在醚化、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。

关键字反应精馏精馏反应挥发度
Abstract Reaction distillation is a reaction process and distillation process together, and in the same equipment in the coupling process. According to feed operation mode, the reaction distillation can be divided into continuous reaction rectification and intermittent reaction distillation. Selective high，Low energy consumption lower operation cost, less investment, easy temperature control, High efficiency advantages .Reaction distillation technique has set up a file in the etherification, hydrogenation and alkylation, vinegar, exchange, saponification of vinegar, hydrolysis, and halogenating, amination, b exception, nitrification，dehydration and so on reactions applications.
Key words reaction distillation distillation reaction volatility
前言化工生产中，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。

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。

有关反应精馏的早期研究始于1921年，反应精馏概念由
Backhaus提出，从20世纪30年代到60年代初，主要对一些特定体系的工艺条件进行探索，并且局限于板式塔中的均相反应精馏。

一直到60年代末，才开始对反应精馏的一般性规律进行研究。

70年代后，开始转向反应精馏的工艺计算，同时也开始对催化精馏进行研究。

20世纪80年代后，反应精馏模拟计算的研究异常活跃，为优化操作和设计装置提供了极为有力的工具，数学模型也由平衡级模型拓展到非平衡级模型进而发展到90年代末的非平衡池模型，可模拟气相和液相在级上的停留时间分布和较准确地描述反应和传质行为，是对非平衡级模型的提高和进一步完善，是非常有前途的反应精馏模型。

1、反应精馏的概述
1.1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。

1.2反应精馏的基本要求
(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。

反应精馏还必须同时满足反应过程和精馏过程的要求。

即要有适宜的温度、压力、反应物浓度分布和催化剂等，且反应物与生成物的挥发能力具有足够大的差异。

1.3、反应精馏适用的物系
（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)所有反应物的挥发度介于产物的挥发度之间。

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。

1.4反应精馏的优缺点:
①由于在反应的同时进行精馏过程，使产物可及时地从反应区移去，促进了化学反应向产物方向进行，从而提高了转化率和选择性(尤其在连串反应等复杂反应中转化率的提高更明显)。

②由于精馏使产品及时离开反应区，从而使反应物的浓度相对增大，从而提高了反应速率，缩短了接触时间，增加了设备的生产能力。

③将反应器与精馏塔合为一个设备，节约了设备投资；由于反应热可直接用于精馏，降低了精馏能耗，即使是吸热反应，因反应和精馏在同一塔内进行，集中供热也比分别供热节能，减少了热损失。

④对于某些难分离物质，利用反应精馏可获得较纯的产品。

⑤避免了一种或几种原料先反应，再分离，然后物质循环进行反应、分离的过程，可简化流程。

但反应精馏技术仅仅适用于那些反应过程和物系的精馏分离可以在同一温度条件下进行的工艺过程，即在催化剂具有较高活性的温度内，反应物系能够进行精馏分离，当催化剂的活性温度超过物质的临界点时，物质无法液化，不具备精馏分离的必要条件。

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。

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。

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。

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。

3、反应精馏的操作流程及工艺条件
3.1连续精馏操作流程
原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。

在每层板上，回流液与上升蒸气互相接触，进行使热和使质过程。

操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（斧残液），部分液体气化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。

塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液送回塔顶作为回流液体，部分经冷却器冷却后被送出作为塔顶产品（馏出液）。

通常，将质料液进入的那层板称为加料板，加料板以上的塔段称为精馏段，加料板以下的塔段（包括加料板）称为提馏段。

3.2歇精馏操作流程
与连续精馏不同的是原料液一次加入塔斧中，而不是连续加入精馏塔。

因此间歇精馏只有精馏段，而没有提馏段。

同时，因间歇精馏斧液浓度不断地变化，故产品组成也逐渐降低。

当斧中的液体过到规定的组成后，精馏操作即被停止。

精馏塔是由若干塔板组成的，塔的最上部称为塔顶，塔的最下部称为塔釜。

塔内的一块塔盘只进行一次部分汽化和部分冷凝，塔盘数愈多，部分汽化和部分冷凝的次数愈多，分离效果愈好。

3.3反应精馏的工艺条件
反应精馏的工艺条件和单一精馏相似，加料位置、回流比、精馏段和提馏段内的理论板数以及能影响化学反应速率的因素，如催化剂、停留时间等都会影响反应精馏的效果。

①加料位置加料位置决定了精馏段、反应段和提馏段的关系，对塔内浓度分布有强烈的影响。

为保证各反应物与催化剂充分接触和有足够的反应停留时间，通常挥发度大的反应物及催化剂在靠近塔的下部进料，反之在塔的上部。

进料位置的确定除考虑对精馏段的需要外，还要保证有足够长度的反应段，以达到充分反应和分离产物的双重目的。

一般来说，增长反应段有利于提高转化率和收率。

②回流比以乙酸和乙醇酯化反应精馏为例，随着回流比的增加，提高了塔的分离程度。

与此相同，各板上的乙酸浓度相应下降，而乙醇浓度则相应上升，此二者对酯化反应有相反的影响，必然会导致有一个转化率的最高点，它对应着适宜的回流比。

③停留时间由于反应精馏塔内有化学反应，故停留时间对反应精馏收率有很大影响，而影响停留时间的因素有塔板数、进料位置、回流比和塔板结构等。

塔板数和进料位置直接影响反应段长度，从而影响反应停留时间，
回流比变化不但从板上液相组成变化上影响反应，同时也改变了液体在反应段的停留时间。

增加回流比会减小反应停留时间，影响停留时间的塔结构因素是反应段塔板上的液层高度，为了保证长的停留时间，一般，反应段塔板的堰高大于普通塔板的堰高。

④催化剂为了提高反应速度，很多反应精馏中的反应是在催化剂存在下进行的，用得较多的是均相催化剂。

催化剂可与反应物一起或根据反应物的挥发度和反应停留时间的要求，在进料以上或以下加入塔。

另一类是催化反应精馏，如上述的催化剂包，将固定的反应器与精馏塔合二为一，装在塔内的催化剂既有加快反应的催化作用，又有为气液两相传质提供表面积的填料作用。

4、反应精馏技术的应用
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。

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：烷基化、叠合过程、烯烃选择性加氢、酯转移、氧化脱氢、Cl化学、醚化反应、酯化和水解、环氧化物的水解、其它反应等。

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，羧摹化反应。

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：分离氯芳烃，氯苯胺。

甲基吡啶等同分异构体的混合物。

5、总结
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。

国内在这方面的研究起步较晚，但对反应精馏和膜分离祸合工艺的研究，已经取得了一定进展。

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。

参考文献：刘家祺化工分离与过程
刘雪暖，李玉秋，化学工业与工程
李鸿博，古萍英等，石油化工
王晓立，李萍，石油化工高等学校学报
崔咏芬，乔旭，南京化工大学学报。