聚乙烯醇工业中的副产物乙酸甲酯(Methyl acetate,MeAc)与溶剂甲醇(Methanol,MeOH)形成共沸物,可以采用萃取精馏、变压精馏和膜分离等特殊方法进行分离,但经济性较差,而将MeAc通过酯交换催化合成附加值更高的低碳醇酯能够显著提高经济效益,尤其是膜耦合反应精馏工艺,即将膜分离作为一种传统酯交换反应精馏过程的辅助强化手段,可以大大降低能耗、节约成本,对于当前的绿色低碳生产理念来说,具有巨大的发展前景。本论文基于MeAc合成乙酸丙酯、乙酸丁酯和乙酸异戊酯的传统反应精馏过程和乙酸甲酯/甲醇渗透汽化工艺,提出了多种膜耦合反应精馏新工艺,包括渗透汽化与传统反应精馏、隔壁式反应精馏、变压反应精馏的耦合过程;基于溶解-扩散理论建立了膜(POMS-05-119)渗透汽化数学模型,并利用Aspen Custom Modeler与Aspen Plus集成形成用户模块;采用序贯迭代搜索算法,以年总费用(Total annual cost,TAC)为目标对所有反应精馏过程进行了优化设计。在乙酸丙酯工艺的优化设计中,将传统反应精馏转化为考虑热集成的变压反应精馏,提高了 MeAc的转化率,能耗降低了约59.5%;以能耗较低的膜分离单元部分或全部代替甲醇回收塔,提出了不同的膜耦合工艺(单膜、三膜串联和三膜并联),降低了循环物流量,TAC和能耗得到进一步降低,最高为58.79%和67.32%。在乙酸丁酯工艺的优化设计中,以MeAc/MeOH混合物为新鲜原料,考虑MM80(MeAc 65mol%,MeOH,35mol%)和 MM20(MeAc 30wt%,MeOH 70wt%)两种组成,提出了基于传统反应精馏和隔壁式反应精馏的多种膜耦合工艺。结果表明:对于MM20进料,所提出的膜耦合反应精馏过程,从能耗和经济费用的角度上,并不如传统反应精馏过程,TAC反而增加了 11.39%和4.97%。对于MM80进料,所提出的膜耦合隔壁式反应精馏工艺,明显优于传统反应精馏过程,操作费用、TAC以及碳排放分别降低了 36.22%、29.82%和48.77%。在乙酸异戊酯工艺的优化设计中,将离子液体催化合成反应精馏过程、隔壁式反应精馏过程分别与渗透汽化过程进行耦合。结果表明:隔壁式反应精馏膜耦合工艺,集成了反应精馏、隔壁塔、渗透汽化过程的节能优势,可以明显降低投资费用和能量消耗,分别为35.61%和 25.97%。