This work presents the optimal synthesis and design of a rigorous catalytic distillation (CD) column that explicitly considers the multiscale and multiphase nature of this intensification process. A rate-based model that couples micro and macroscale events taking place inside the CD column is explicitly considered. The direct solution of such intensive optimization problems is challenging due to nonlinearities introduced by heterogeneous reactions, transport phenomena, and interactions between discrete and continuous variables. Also, combinatorial complexity involved in the selection of multiple structural decisions complicates the problem, e.g., distribution of reactive stages along the column, location of feed stages, and total number of stages. A discrete-steepest descent-based optimization framework recently developed is used to address the optimal synthesis and design of rate-based CD columns. A case study involving the production of ethyl tert-butyl ether (ETBE) has been considered. The results show that the multiscale events occurring in this process intensification (PI) unit cannot be ignored since they produce process designs different from those obtained with an equilibrium-based CD model. The results also show that neglecting multiscale phenomena may result in infeasible CD designs. The outcomes gained through this study illustrate the critical need to systematically consider multiscale and multiphase events in CD columns for the optimal design of realistic, cost-effective, and attractive process intensification (PI) systems.

这项工作提出了严格催化蒸馏（CD）色谱柱的最佳合成和设计，该色谱柱明确考虑了该强化过程的多规模和多相性质。明确考虑了将CD列内部发生的微观和宏观事件耦合的基于速率的模型。由于非均质反应，传输现象以及离散变量和连续变量之间的相互作用所引起的非线性，直接解决此类密集型优化问题具有挑战性。同样，选择多个结构决策所涉及的组合复杂性使问题变得复杂，例如，反应塔沿塔的分布，进料塔的位置以及塔的总数。最近开发的基于离散最陡下降的优化框架用于解决基于速率的CD色谱柱的最佳合成和设计。已经考虑了一个涉及乙基叔丁基醚（ETBE）生产的案例研究。结果表明，在此过程增强（PI）单元中发生的多尺度事件无法忽略，因为它们产生的过程设计与基于平衡CD模型获得的过程设计不同。结果还表明，忽略多尺度现象可能导致不可行的CD设计。通过这项研究获得的结果表明，迫切需要系统地考虑CD色谱柱中的多尺度和多相事件，以便对现实，具有成本效益和有吸引力的过程强化（PI）系统进行优化设计。已经考虑了一个涉及乙基叔丁基醚（ETBE）生产的案例研究。结果表明，在此过程增强（PI）单元中发生的多尺度事件无法忽略，因为它们产生的过程设计与基于平衡CD模型获得的过程设计不同。结果还表明，忽略多尺度现象可能导致不可行的CD设计。通过这项研究获得的结果表明，迫切需要系统地考虑CD色谱柱中的多尺度和多相事件，以便对现实，具有成本效益和有吸引力的过程强化（PI）系统进行优化设计。已经考虑了一个涉及乙基叔丁基醚（ETBE）生产的案例研究。结果表明，在此过程增强（PI）单元中发生的多尺度事件无法忽略，因为它们产生的过程设计与基于平衡CD模型获得的过程设计不同。结果还表明，忽略多尺度现象可能导致不可行的CD设计。通过这项研究获得的结果表明，迫切需要系统地考虑CD色谱柱中的多尺度和多相事件，以便对现实，具有成本效益和有吸引力的过程强化（PI）系统进行优化设计。结果表明，在此过程增强（PI）单元中发生的多尺度事件无法忽略，因为它们产生的过程设计与基于平衡CD模型获得的过程设计不同。结果还表明，忽略多尺度现象可能导致不可行的CD设计。通过这项研究获得的结果表明，迫切需要系统地考虑CD色谱柱中的多尺度和多相事件，以便对现实，具有成本效益和有吸引力的过程强化（PI）系统进行优化设计。结果表明，在此过程增强（PI）单元中发生的多尺度事件无法忽略，因为它们产生的过程设计与基于平衡CD模型获得的过程设计不同。结果还表明，忽略多尺度现象可能导致不可行的CD设计。通过这项研究获得的结果表明，迫切需要系统地考虑CD色谱柱中的多尺度和多相事件，以便对现实，具有成本效益和有吸引力的过程强化（PI）系统进行优化设计。