反應蒸餾系統的製程放大

Abstract

製程放大是化工程序設計中重要的一環。傳統上反應器放大的原則是維持固定的滯留時間，而蒸餾塔的放大基本上維持板數不變來調整塔徑大小。而反應蒸餾塔結合了反應器與蒸餾塔的特性，而其放大的原則文獻上鮮少探討。本研究將探討反應蒸餾製程放大的基本原則，且進一步討論製程放大對程序動態及控制的影響。我們以理想反應蒸餾塔進行A+B=C+D反應為例，探討產能為0.45、4.5、45、450和4500(kmol/hr)最適設計的異同，來歸納製程放大的原則。在最適設計過程，我們調整反應板數、汽提及精餾板數及入料位置。但是當產能以10倍增加時，塔徑以101/2的速率增加，這暗示每板的可放置觸媒量以10倍速率增加。我們依此原則(相同的板數及入料位置)來放大反應蒸餾程序，結果顯示，直接放大設計和個別最適設計的年總成本最大誤差僅有5%。接下來我們探討控制結構直接放大的可能性。在此”控制結構直接放大”是以相同的操作變數在不同產能情況下控制相同的溫度量測板及產品組成。我們以基準產能(45kmol/h)為基礎來設計控制結構，再將此控制結構直接延伸到直接放大的設計中(如產能為0.45、4.5、450和4500 kmol/hr)。結果顯示，在所探討的三種控制架構中，除了控制器參數需重新調整外，控制架構可直接延伸到不同產能的設計。但是較大產能的反應蒸餾塔有著較慢的程序動態。最後我們探討反應蒸餾的非線性特性。在基準產能(45kmol/h)的設計，程序有著非常強的非線性(如:多重穩態、極小的線性範圍)，接下來我們想了解此一特性是否會延伸到不同產品規格，不同反應動力表示法: (1)產品規程在高濃度(xD=0.99)、(2)中濃度(xD=0.95)和(3)中濃度(xD=0.95) 反應速率不為溫度的函數。結果顯示，溫度是一重要指標影，這影響了反應速率，造成迥異於一般蒸餾的效應而造成有增益異號的行為。這可由相同濃度(xD=0.95)的兩個系統，固定及隨溫度而變的反應速率常數非線性指標分析結果得到驗證。