余政靖臺灣大學：化學工程學研究所陳毅偉Chen, Yi-WeiYi-WeiChen2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52058摘要 近年來結合反應和分離功能的反應蒸餾重新受到重視。本研究主要探討的問題為異相反應反應蒸餾，如乙酸丁酯及乙酸戊酯系統。由熱力學模式上的判斷，我們可知此異相反應蒸餾系統的液液兩相區非常大，故若在塔頂加裝一分相槽將可有效地分離出純水相及有機相，且系統之酯類產品皆為具有最高沸點，故以塔底出料為基本設計架構。 對於重酯類(乙酸丁酯及乙酸戊酯)的反應蒸餾，我們會提出系統化的最適化設計步驟，並引入年總成本(TAC)的計算來得到最經濟的設計架構。接著便針對最適化之結果以若干控制策略進行動態模擬，系統的干擾除了流量和進料比擾動之外，我們亦探討了反應蒸餾塔遭遇觸媒老化的問題，從中評估排除干擾之最佳控制架構。我們的模擬結果顯示系統採取適當的控制架構，在合理的擾動範圍之下，可以得到不錯的控制品質。Abstract Last decade has seen renewed interest in reactive distillation. Malone and Doherty (2000) summarize recent progresses. Most of the work focuses on steady-state design and analysis for specific chemical systems. In this work, we study a specific class of reactive distillation: heterogeneous reactive distillation (similar to heterogeneous azeotropic distillation). By heterogeneous reactive distillation, we mean two-liquid phase exists in the reflux drum and a decanter is used for liquid-liquid separation. At the conceptual design stage, we look at the appropriateness of using a decanter in producing high purity product. For esterification reactions, heavy esters such as butyl acetate and amyl acetate fall into this category. Next, a systematic procedure is devised for the design of this type of reactive distillation. Results show that feed location is the dominant optimization variable. For example, 33% and 30% energy saving can be achieved for the butyl acetate and amyl acetate, respectively, simply by arranging the feeds optimally. Since the top product composition is determined by the tie-lines, intuitively, we are dealing with a single-input-single-output (bottoms composition) system. Unfortunately, as pointed out by Luyben (2000), we have to control an internal composition (or temperature) in order to achieve material balance for the reaction/separation system. Therefore, we have a 2目錄 致謝 i 摘要 iii Abstract v 目錄 vii 圖索引 xi 表索引 xviii 第一章 序論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 3 1-3 研究動機與目的 5 1-4 組織章節 5 第二章 異相反應蒸餾 7 2-1 定義 7 2-2 乙酸丁酯之熱力學模式 8 2-2-1 液相使用的熱力學模式 9 2-2-2 氣相使用的熱力學模式 11 2-2-3 兩相區探討 12 2-3 乙酸戊酯之熱力學模式 14 2-3-1 液相使用的熱力學模式 15 2-3-2 氣相使用的熱力學模式 16 2-3-3 兩相區探討 16 2-4 何謂RCM 18 2-4-1 乙酸丁酯反應系統蒸餘曲線圖分析 19 2-4-2 乙酸戊酯反應系統蒸餘曲線圖分析 21 2-5 乙酸丁酯動力學模式 28 2-6 乙酸戊酯動力學模式 30 第三章 穩態設計 32 3-1 前言 32 3-2 系統之程序描述 32 3-3 穩態設計之最適化步驟 34 3-4 結果與討論：乙酸丁酯 36 3-4-1 乙酸丁酯之初步模擬結果 36 3-4-2 改變進料位置的影響 42 3-5 結果與討論：乙酸戊酯 48 3-5-1 乙酸戊酯之初步模擬結果 48 3-6-2 改變進料位置的影響 58 第四章 動態控制模擬 64 4-1 前言 64 4-2 控制環路探討 64 4-3 控制架構的探討 66 4-3-1 控制架構分類(CS1~CS5) 66 4-3-2 系統所承受的干擾 70 4-4 乙酸丁酯之動態控制模擬 70 4-4-1-1 CS1組成控制 70 4-4-1-2 控制器參數協調方法 72 4-4-1-3 動態模擬結果(CS1) 73 4-4-2-1 CS2組成控制 77 4-4-2-2 動態模擬結果(CS2) 78 4-4-3-1 CS3組成+溫度控制 82 4-4-3-2 溫度靈敏度測試分析 82 4-4-3-3 非方形相對增益 84 4-4-3-4 動態模擬結果(CS3) 88 4-4-4-1 CS4溫度控制 91 4-4-4-2 動態模擬結果(CS4) 93 4-4-5-1 CS5溫渡控制(M.Al-Arfaj & Luyben,2002) 96 4-4-5-2 動態模擬結果(CS5) 100 4-6 乙酸戊酯之動態控制模擬 103 4-6-1 乙酸戊酯系統之控制架構 103 4-6-2-1 組成控制(CS2) 104 4-6-2-2 乙酸戊酯動態模擬結果(CS2) 106 4-6-3-1 CS3組成+溫度控制 109 4-6-3-2 乙酸戊酯動態模擬結果(CS3) 113 4-6-4-1 CS4溫度控制 117 4-6-4-2 乙酸戊酯動態模擬結果(CS4) 118 4-6-5-1 CS5溫度控制(M.Al-Arfaj & Luyben,2002) 121 4-4-5-2 動態模擬結果(CS5) 125 4-6 觸媒老化之動態控制模擬 128 4-6-1 情境描述 128 4-6-2 乙酸丁酯觸媒老化之動態控制結果 129 4-6-2-1 CS1之動態結果 129 4-6-2-2 CS2之動態結果 130 4-6-2-3 CS3之動態結果 133 4-6-2-4 CS4之動態結果 135 4-6-2-5 CS5之動態結果 138 4-6-3 乙酸戊酯觸媒老化之動態控制結果 140 4-6-3-1 CS2之動態結果 140 4-6-3-2 CS3動態結果 141 4-6-3-3 CS4動態結果 142 4-6-3-4 CS5動態結果 143 4-7 溫度控制的改善 144 4-7-1 塔頂水組成的改善 144 4-7-1 塔底酯類組成的改善 146 第五章 150 參 考 文 獻 153 附錄A TAC計算公式 157 附錄B 乙酸丁酯各個控制架構的參數設定與控制結果....159 附錄C 乙酸戊酯各個控制架構的參數設定與控制結果....160 作者簡介 1612200771 bytesapplication/pdfen-US酯化反應乙酸戊酯反應蒸餾觸媒老化乙酸丁酯reactive distillationbutyl acetateamyl acetatecatalyst deactivationesterificationtwo-liquid phasethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52058/1/ntu-93-R91524055-1.pdf