反应精馏
摘要：反应精馏是化学反应和精馏过程耦合为一体的单元操作，已成为当今的重要研究领。
本文总结了反应精馏的优点、基本要求、以及操造作流程等。
关键字：反应精馏、精馏、反应
1 反应精馏技术概述
反应精馏(Reactive Distilation简称RD)是蒸馏技术中的一个特殊领域，它是化学反应与蒸馏相耦合的化工过程，有关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问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。
1.1反应精馏的优点
反应精馏与常规精馏都是在普通的蒸馏塔中进行，但由于精馏操作和化学反应的相互影响，反应精馏具有自身显著的优点，主要有以下几点：
1)提高了反应物的转化率和选择性，有些情况下可使反应物的转化率接近100 。
对于可逆反应，蒸馏操作把生成物从反应体系中移走，使化学反应不断向正方向移动，加大了反应物的转化率。
对于连串反应，蒸馏操作及时地把中间产物从反应体系中移走，可以避免副产物的产生，同时提高了反应物的选择性。
2）化学反应过程容易控制。
操作系统压力恒定，混合物的组成变化不大，则系统的温度分布将基本保持不变，使化学反应速率因温度的变化所受影响较小，也减小副反应发生的机率。
3) 减少设备投资费用和操作费用，也减少能量消耗。
由于化学反应和精馏操作在一个精馏塔中进行，所以化学反应不需要专门的反应器，不必进行未参与反应的反应物二次蒸馏和重回反应器的操作，减少了能量消耗。
若化学反应是放热反应，则产生的反应热可以被蒸馏操作直接利用，减少了再沸器提供的能量。
4) 设备紧凑，减少操作所需要占用的空间。
5) 可以有效地避免共沸物的形成给精馏分离操作所带来的困难。
在反应精馏中，由于化学反应的存在，在常规精馏中存在的共沸体系在反应精馏中可能消失。
6) 对于一些用常规精馏难以分离的物系，使用反应精馏可以获得比较纯净的目的产物。
如间二甲苯和对二甲苯是同分异构体，使用常
规精馏分离，需要较多的理论塔板数和较大的回流比，使用对二甲苯钠作为夹带剂只需要6块塔板即可有效分离。
7)对于催化蒸馏，催化剂填充层起着加速化学反应速率和传质的作用。
尺寸不同的催化剂结构组成的床层可以有效地防止出现旁道和沟流等现象。
催化剂颗粒一般都用其他物质包裹起来，这样避免了催化剂与器壁直接接触，减轻了催化剂对设备的腐蚀，同时降低催化剂的磨损，延长了催化剂的使用寿命。
1.2 使用反应精馏的基本要求
由于反应精馏是化学反应和精馏分离耦合的操作过程，所以化学反应和精馏操作既相互促进，又相互限制。
一个化学工艺如要使用反应精馏操作得到所需要的目的产物，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。
1.3 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。
2. 反应精馏的操作流程及工艺条件
以常温常压下典型的液相可逆反应A+B—C+D为例，对反应精馏的工艺流程作一介绍。
A，B，C，D 4种物质的挥发度由大到小的顺序为C，A，B，D，其中目标产物为D。
传统工艺和反应精馏工艺的主要流程示意分别见图1(a)和(b)。
图1 传统工艺和反应精馏工艺流程的主要部分
由图1(a)可见，传统的工艺是将A和B在反应器内反应完毕后再进人蒸馏塔中进行分离，由于反应平衡的限制，进入蒸馏塔的混合物中反应物含量还是较高，这样在分离时可能得不到较纯的产物，而且若不回收未反应的A和B，将会造成原料的浪费，因此，在蒸馏塔后一
般还有回收装置。
由图1(b)可见，采用反应精馏技术，原料A和B分别从反应段的下方和上方进入反应蒸馏塔，在反应段充分接触反应，且产物和反应物得到了及时的分离。
由于反应和分离相互促进，能得到传统工艺需耗费大量能量和时间才能获得的高转化率和分离效率。
反应精馏技术能节省设备投资，减少操作费用，对于可逆放热反应而言，还可充分利用反应热从而节省能耗。
这些优势使得反应精馏技术成为解决化工高能耗和低原料利用率的有效手段。
3.反应精馏的应用
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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。
3.4 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。
3.5 C1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。
3.6 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。
3.7 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。
3.8 环氧化物的水解
与环氧乙烷水解生产乙二醇类似，环氧丙烷水解生产丙二醇。
水和环氧乙烷分别在反应段上和下进料。
由于环氧乙烷的高度挥发性，塔中反应区的环氧乙烷浓度低，低的反应物浓度和快速从反应区移出产物抑制了二乙二醇的产生，华东理工大学与湖南化工设计院连手开发了生产丙二醇的反应精馏工艺，在云南玉溪天山化工有限公司建成6000L／a装置，运行良好，转化率达到99.9 ，选择性为93 ，单耗为0.853 L／L。
4.结语
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。
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，相相信反应精馏工艺在未来几十年将会有更好的发展。
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