用于生产丙基醋酸酯的经济高效压力摆动反应蒸馏：利用遗传算法进行停留时间与压力优化

《Separation and Purification Technology》：Cost-effective pressure-swing reactive distillation for n-propyl acetate production: Holdup and pressure optimization with genetic algorithm

　　

摘要

反应蒸馏被广泛用于乙酸甲酯（MeAc）与正丙醇（PROH）的酯交换反应，以生成正丙基醋酸酯（PAc）和甲醇（MeOH）。然而，传统的单压反应蒸馏过程在共沸和平衡限制下仍然具有较高的成本和能耗。我们提出了一种压力摆动反应蒸馏（PSRD）结构，该结构结合了两种不同压力水平，以增强分离效果，并同时优化液体停留时间和柱压，以实现最低的总年成本（TAC）。通过使用遗传算法（GA），在满足流动动力学条件的停留时间范围和压力窗口内搜索设计参数，揭示了传统调优方法所忽略的停留时间与压力之间的强烈耦合关系。与相同基准情况相比，PSRD可将总年成本降低72.1%，而严格优化的单压反应蒸馏仅能降低26.6%；因此，PSRD的性能优于优化后的常压反应蒸馏（ATRDC）基准。本研究的主要贡献包括：（i）提出了一种以成本为中心的PSRD设计方法，该方法利用压力摆动来克服平衡/共沸限制；（ii）采用了一种关注停留时间的压力耦合遗传算法（GA），以捕捉流体力学与热力学的权衡；（iii）提供了透明的成本分解和敏感性分析，从而转化为可操作的设计规则（例如，最佳反应物持有量范围和压力分配）。结果表明，PSRD是一种低成本、节能的工业PAc生产工艺，并为将压力和停留时间作为主要决策变量应用于反应分离过程提供了可复制的工作流程。

引言

开发高效工艺将乙酸甲酯（MeAc）和正丙醇（PROH）转化为高附加值产品——主要是正丙基醋酸酯（PAc）和甲醇（MeOH）——仍然受到广泛关注，因为传统的酯交换反应受平衡限制且分离过程具有挑战性。甲醇本身是一种重要的平台化学品和溶剂，具有广泛的工业应用，包括作为乙酸、甲基叔丁基醚、二甲醚和甲胺的前体[1]。反应蒸馏（RD）通过在一个单元内结合反应和分离过程，使平衡向产物方向移动，从而提高整体转化率。

先前的工作为通过RD生产PAc奠定了坚实的基础。Berhelin等人[2]验证了使用均相酸的催化RD，筛选了实际配置（例如，分离器和蒸馏塔的位置），并确定了一种高效的单进料设计。Shen等人[3]开发了Amberlyst-15动力学模型，并应用序列迭代优化（SIO）策略来降低总年成本（TAC）。在此基础上，Feng等人[4]探索了反应分离壁塔（RDWC），报告了更小的占地面积和冷凝器负荷，但也指出了设备操作上的问题[5]。更广泛地说，Wang等人[6]比较了几种节能工艺——RDWC、压力摆动反应蒸馏（PSRD）和PSRD-蒸发组合工艺——发现这些工艺在基于SIO的优化下具有较低的TAC和能源指标。压力摆动操作越来越多地与反应和共沸相关蒸馏结合使用，以克服分离限制并提高经济性能[7]，[8]。此外，还报告了针对复杂共沸混合物的压力摆动蒸馏的动态控制和集成工艺结构[9]，[10]。

然而，在反应-流体力学-热力学接口仍存在一些差距，这些差距最终决定了工业可行性及成本。首先，许多研究通过简化的代理参数估计塔径和停留时间，这可能会掩盖实际的流体力学限制（例如，泛滥/渗流裕度）并错误表示反应物持有量需求。其次，液体停留体积直接影响到停留时间、传质和内部结构，在以成本为中心的RD/PSRD设计中很少作为明确决策变量进行考虑，尽管它对转化率、能源使用和资本规模有重要影响。第三，操作压力强烈调节蒸汽-液相平衡，从而能够缓解共沸和平衡限制；然而，压力和停留时间对性能和TAC的综合影响尚未系统地进行联合优化。最后，一些研究中使用的SIO程序可能对订单敏感，可能会忽略变量之间的相互作用，并有陷入局部最优解的风险。

本文通过提出一种关注停留时间、压力耦合的PSRD设计和优化框架来弥补这些差距。具体而言，我们：（i）将液体停留体积（反应物持有量）和柱压（PSRD中的高压/低压阶段）作为主要决策变量；（ii）明确地将流体力学可行性与反应和相平衡行为联系起来，以反映实际的塔尺寸和操作可行性；（iii）用遗传算法（GA）替代依赖顺序的SIO，该方法可以进行全局搜索而无需初始假设。利用Shen等人[3]的Amberlyst-15动力学模型，我们证明联合优化停留时间和压力可以揭示传统工作流程忽略的相互作用，从而获得一种低成本、节能的PSRD配置，该配置在TAC方面优于严格优化的单压RD基准，同时满足产品纯度要求。

为了明确这项工作的创新性，我们强调三个方法论贡献。首先，通常在RD/PSRD研究中预先固定的多个设计和操作自由度在这里以集成方式进行优化（例如，塔结构/位置、操作压力以及与流体力学相关的变量，如液体停留时间），而不是作为预设假设。其次，这些耦合变量在基于GA的统一搜索中共同优化，以捕捉在共沸和平衡约束下的流体力学-热力学权衡。第三，工作流程结合了严格的工艺模拟，因此可行性筛选（模型收敛）在优化循环中直接处理，减少了顺序调整策略相关的顺序敏感性。

我们需要强调的是，提高反应塔压力本身并不是这项工作的独特贡献：2.5巴的压力是优化结果，而不是设计假设。真正的贡献在于将液体停留量和操作压力作为显式的、主要的决策变量进行综合优化，同时考虑流体力学可行性约束。而之前的PSRD和RDWC研究（例如Feng等人[4]、Wang等人[6]）以及GA/压力摆动优化研究都是在事先固定反应物持有量/停留时间和塔水力特性的前提下进行的，并单独预设或扫描压力；在这里，停留时间和压力与塔结构、进料位置和反应段位置同时优化。正是这种耦合使得优化器能够在放松的平衡/共沸限制（通过压力）与更低的反应物持有量和催化剂持有量之间进行权衡——当停留时间和压力独立固定时，这种相互作用是不可见的。

本文分为四个部分，以清晰的叙述流程组织内容。第1部分介绍了通过RD/PSRD生产PAc的动机，将我们的研究置于已有工作的背景下，并明确了研究差距。第2部分全面阐述了该方法论：RDC基准和PSRD配置的工艺范围和流程图、热力学（UNIQUAC）和Amberlyst-15动力学模型、通过泛滥/压降约束进行的流体力学可行性分析以及TAC的计算方法，还有GA设置（决策变量、界限和Aspen-MATLAB耦合）。第3部分展示了结果和讨论，首先介绍了一个明确考虑停留时间设计的常压RDC，然后介绍了PSRD，其中压力成为重塑转化率、回收率和设备尺寸的决策变量，最后进行了能源/TAC分析、敏感性分析和GA收敛行为讨论。第4部分总结了关键的定量成果，将其转化为实际的设计规则，用于反应物持有量和压力分配，并反思了工业应用的局限性和实施指导。

章节摘录

整体工艺描述

在本研究中，PAc的生产是通过乙酸甲酯（MeAc）和正丙醇（PROH）的酯交换反应实现的。为了提高酯交换反应的效率，通常会引入催化剂。本研究选择了离子交换树脂Amberlyst-15作为催化剂，因为它是研究最广泛的MeAc酯交换催化剂之一[3]，[11]，[12]，[13]。此外，Amberlyst-15相比其他催化剂具有多个优势，包括高催化活性等。

结果与讨论

以下部分展示了常压RD系统和PSRD系统的优化结果。采用Shen等人[3]报告的案例研究作为进一步比较和分析的基准配置。首先评估了在不同液体停留时间条件和塔配置下优化的常压RD系统的性能。随后，研究了压力摆动操作对系统性能的影响。

结论

本研究表明，当停留时间和压力联合优化时，压力摆动反应蒸馏（PSRD）是一种有效的低成本途径，可用于将乙酸甲酯（MeAc）与正丙醇（PROH）转化为正丙基醋酸酯（PAc）。提高反应段的压力（例如至2.5巴）可以改变蒸汽-液相平衡，从而改善共沸现象并提高分离效果，相比在1巴压力下的操作效果更佳。在这个压力范围内，通过GA优化——明确考虑液体停留时间和柱压作为主要变量——

CRediT作者贡献声明

Vincentius Surya Kurnia Adi: 写作——审阅与编辑，原始草稿撰写，可视化，验证，监督，软件开发，资源管理，项目管理，方法论研究，资金获取，数据分析，概念化。Chih-Yao Lin: 写作——审阅与编辑，验证，方法论研究，数据分析，形式化分析。Yi-Han Chiang: 写作——审阅与编辑，原始草稿撰写，可视化，验证，方法论研究，数据分析，形式化分析。

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致谢

V.S.K. Adi感谢台湾综合大学系统在113届可持续发展跨学科研究项目、2023–2024台湾体验教育计划（TEEP）以及台湾教育部的高等教育Sprout项目框架下的“可持续负碳资源创新中心”提供的部分支持；同时也感谢科学部的部分支持。

Vincentius Surya Kurnia Adi|Chih-Yao Lin|Yi-Han Chiang|Haryo Abbiansyah Triatmojo|Reyaska Marcel Adinata|Anggit Raksajati|Wei Wu

国立成功大学化学工程系，台湾台南市，70101