虽然传统的反应蒸馏塔(反应段位于精馏段和提馏段之间)是一项很吸引人的过程强化技术(即反应和分离操作耦合在一个操作单元之中),但是对于所有的反应分离体系而言,它并不总是优于常规的反应器加上多个常规蒸馏塔复杂流程。以四元可逆反应A+B KF(?)KB C+D为例,它们可以根据反应混合物的相对挥发度大体分为四种类别：具有最有利相对挥发度排序的体系(αc>αA>αB>αD),具有较有利相对挥发度排序的体系(αA>αB>αc>αD和αC>αD>αA>αB),具有较不利相对挥发度排序的体系(αC>αA>αD>αB和αA>αc>αB>αD)以及具有最不利相对挥发度排序的体系(αA>αc>αD>αB)。对于有最不利相对挥发度排序的体系以及具有较不利相对挥发度排序的体系,通常难以使用传统的反应蒸馏塔来实现反应混合物的分离,这极大的限制了传统的反应蒸馏塔的应用范围。究其原因可以归结为传统的反应蒸馏塔的固有结构缺陷,即在传统的反应蒸馏塔的结构下,未完全反应的反应物难以返回到反应段进行充分反应。即使对于具有最有利相对挥发度排序的体系以及具有较有利相对挥发度排序的体系,传统的反应蒸馏塔同样存在一定的缺陷,仍有可能通过结构改造而进一步改善系统性能。为了克服传统的反应蒸馏塔的固有结构缺陷,本文作者提出了一种新型的综合与设计策略,即在反应蒸馏塔中引入外部环流,从而得到外部环流反应蒸馏塔。外部环流的流量与位置安排是外部环流反应蒸馏塔过程开发的重要决定变量,它们可以强化系统的内部物质耦合和内部能量耦合,因此,应当根据具体的反应混合物的热力学特性对外部环流进行谨慎的安排。本博士毕业论文的主要目标是针对四种不同的反应分离体系,系统地研究外部环流反应蒸馏塔的设计与控制。论文主要的工作以及创新点可以描述如下：开发了外部环流反应蒸馏塔的稳态和动态数学模型。本文采用平衡级塔板模型为基础建立了外部环流反应蒸馏塔的稳态和动态数学模型。主要采用商业过程设计软件Mathematica和Aspen Plus搭建系统过程模型。所建立的严格的数学模型具有很高的可靠性,因此,它们可以被用于外部环流反应蒸馏塔的后续的设计与控制的研究。对于具有最不利相对挥发度排序的反应体系,本文提出了一种新型的顶部-底部外部环流反应蒸馏塔。外部环流应放置在外部环流反应蒸馏塔的塔顶和塔底之间,其流向应根据具体的反应的热力学特性来决定。具体来说,对于放热反应,外部环流应从外部环流反应蒸馏塔的塔顶流向塔底,而对于吸热反应,它应从塔底流向塔顶。本文针对顶部-底部外部环流反应蒸馏塔提出了一种简单而有效的综合与设计方法。采用试差法搜索四个结构变量的最优值(即总塔板数,反应塔板数,侧线出料的位置以及外部环流的位置)；采用最速梯度法搜寻四个操作变量的最优值(即操作压力,总催化剂量,外部环流的流量以及再沸器热负荷)。本文采用理想放热反应,理想吸热反应,乳酸和甲醇的酯化反应以及棕榈酸和异丙醇的酯化反应作为实例评估所提出的综合与设计方法以及外部环流反应蒸馏塔的有效性。结果显示采用本文所提出的综合与设计流程仅需很少的迭代计算即可收敛。结果还证明了外部环流反应蒸馏塔所需的设备投资和操作费用比反应器加上多个常规蒸馏塔的复杂流程、具有一个反应段的反应蒸馏塔以及具有两个反应段的反应蒸馏塔等目前存在的典型过程设计更低。本文针对具有最不利相对挥发度排序的反应体系提出了一种新型的双环流反应蒸馏塔,以此检验加入更多的外部环流对系统的性能的影响。其中一股外部环流放置在双环流反应蒸馏塔的顶部和底部之间,它的流向由反应的热力学特性决定。另一股外部环流放置在塔顶(或塔底)和反应段之间：对于放热反应,这一股外部环流从塔底流向反应段；对于吸热反应,它从塔顶流向反应段。本文采用理想放热反应和理想吸热反应检验双环流反应蒸馏塔的有效性,并证明它的经济性能比常规的反应器加上多个常规蒸馏塔的复杂流程、具有双反应段的反应蒸馏塔以及顶部-底部外部环流反应蒸馏塔更优。对于具有较不利相对挥发度排序的反应体系,本文提出了一种新型的顶部／底部-中部外部环流反应蒸馏塔。当反应混合物的相对挥发度的排序为αA>αC>αB>αD时,外部环流应从外部环流反应蒸馏塔的塔顶流向反应段的某一段塔板。当反应混合物的相对挥发度的排序为αC>αA>αD>αB时,外部环流应从外部环流反应蒸馏塔的塔底流向反应段的某一段塔板。本文针对底部-中部外部环流反应蒸馏塔提出了一种简单而有效的综合与设计方法。本文采用理想放热反应,醋酸和甲醇的酯化反应以及醋酸丁酯和乙醇的转酯反应等三个反应的分离评估外部环流对系统过程的影响。通过与传统的反应蒸馏塔的比较,证明了加入外部环流有助于系统性能的提高,因此,应当在过程综合与设计过程中重点考虑有否有可能加入外部环流的问题。顶部-中部外部环流反应蒸馏塔的综合与设计程序亦可通过类似的方法推出。在研究了顶部-底部外部环流反应蒸馏塔的动态过程和可控性之后,作者提出了一种该过程的分散控制系统的综合与设计方法。反应(具有最不利相对挥发度排序的体系)的相对挥发度的特性使得外部环流反应蒸馏塔具有复杂的动态特性,还出现了多稳态和不稳定性(当我们期望得到较高产品浓度时)等现象。研究发现,当增大外部环流的流量时,这些不理想的现象可以得到一定程度的缓解。由于外部环流反应蒸馏塔同时工作在全回流和全回热状态,使得回流罐与塔釜液位以及系统的反应过程之间的存在强烈的相互影响作用,这阻碍了反应过程的进行。因此,在设计控制系统时,应当对外部环流反应蒸馏塔的塔顶和塔底的液位进行严格的控制。外部环流的流量可用来控制中间出料中某一产品的浓度,另一产品的浓度可用再沸器的热负荷进行控制。进料流量,进料浓度以及产品浓度的设定值扰动下的闭环响应结果显示了即使外部环流反应蒸馏塔因为高强度的耦合而具有较低的可控性,采用本文的控制系统仍可以实现其平稳控制。本文研究了具有顶部-底部外部环流反应蒸馏塔的全厂流程的综合与设计。本文采用两个复杂的反应过程(己二酸的酯化反应和戊二酸的酯化反应)作为实例评估外部环流反应蒸馏塔全厂流程的性能。结果显示了与常规的反应器与多个蒸馏塔结合的多个单元的复杂流程相比,外部环流反应蒸馏塔全厂流程的经济性能更优。本文还研究了外部环流反应蒸馏塔全厂流程的动态学与控制。本文采用一个理想的放热反应过程评估外部环流反应蒸馏塔全厂流程的控制性能。结果显示了外部环流反应蒸馏塔全厂流程可以实现平稳的控制。