相比传统工艺,反应精馏合成乙酸仲丁酯可以有效地提高乙酸的转化率,减少过程能耗和设备投资。然而,由于反应精馏塔内分离和反应的相互作用,使得反应精馏过程的设计与控制比单纯的反应器或精馏塔更困难,如果设计不当,则极有可能导致反应精馏过程的失败。本课题的研究目的在于在前人大量研究工作的基础上,提出一种基于反应残余曲线的反应精馏过程初步设计方法,并将这种设计方法用于反应精馏生产乙酸仲丁酯的初步设计,通过可行性研究和综合设计设计出塔的基本结构和工艺条件,为反应精馏的后续设计提供可靠的理论基础。论文具体研究内容如下:(1)在阳离子交换树脂CT800催化下,研究了醋酸和1-丁烯液相合成乙酸仲丁酯的反应动力学。在消除内、外扩散的影响下,讨论反应温度、反应物配比、催化剂浓度对酯化反应的影响。建立了基于拟均相反应机理的动力学模型,得到反应速率表达式及对应反应平衡常数,并计算正、逆反应的表观活化能,为图解法设计反应精馏生产乙酸仲丁酯的过程提供动力学基础。(2)在残余曲线的基础上,推导了反应残余曲线与反应萃取曲线的基本设计方程,并引入达克勒姆准数Da拓展这两设计方程的可应用反应体系范围。在残余曲线、反应残余曲线与反应萃取曲线的基础上,结合稳态分析方法,提出了可用于反应精馏过程可行性分析的反应残余曲线设计法及相应不同反应体系的可行性分析综合策略。(3)以反应残余曲线设计方法为基础,结合乙酸仲丁酯体系的物性数据、热力学和动力学信息,对三元反应体系乙酸仲丁酯合成体系进行反应精馏过程的可行性分析,并利用达克勒姆准数分析了反应快慢对反应精馏过程的影响,最终确定分离方案及其对应所能得到的分离产物和精馏路径。(4)基于乙酸仲丁酯体系的可行性分析结果,利用Aspen Plus对高度非理想的乙酸仲丁酯反应精馏体系进行综合设计,选择合适的进料方式,讨论塔结构与操作条件(回流比、再沸比等)对产品纯度和进料转化率的影响,并给出合理的塔结构设计与操作条件。