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三相精馏:非平衡模拟与参数估计

陈良  
【摘要】: 按照传统的观点,在精馏塔内应该避免出现多个液相共存的情况——因为多相会给操作和控制带来很多不确定的因素。然而,在流程工业中,特别是在诸如共沸精馏、萃取精馏、反应精馏等高附加值的化工生产中,往往不可避免地出现第二个液相,从而形成汽-液-液三相共存的复杂精馏过程。 由于流动特征和传质机理过去复杂,三相精馏的研究一度停滞不前。近年来,随着计算能力的提高和实验设施的进步,探索汽-液-液三相精馏的条件逐渐成熟。因此,有必要深入研究三相精馏过程及其本质属性,并以此为契机来提高精馏效率,优化生产工艺,实现节能降耗。 本文致力于三相(填料)精馏过程的建模与仿真。在研究中分别建立了三相精馏的平衡(EQ)模型和非平衡(NEQ)模型,并利用柏林工业大学的实验设施开展了系统化的填料精馏实验。结果表明,汽-液-液三相间本质上处于非平衡态。因此,基于板效率和HETP概念的EQ模型不适用于三相体系;NEQ模型是三相精馏过程建模的首选。然而,三相精馏NEQ模型的应用也存在一些制约因素,主要的问题是缺乏估算相间传质参数(如相接触面积、传质系数)的有效方法,这是本文的研究重点之一。 本文的主要贡献和创新点总结如下: 1.针对汽-液-液三相精馏的流态多样性,在综合文献成果和实验观测的基础上,提出了三种改进的NEQ模型、即M_1,M_2,M_3模型。这些模型基于不同的流态简化和模型假设,可根据塔板或填料上的三相流动特征甄别选用。同时,针对三相精馏普遍存在的液相稳定性问题,提出了内置相稳定性算法的非平衡模拟方法。这对实际生产中大量存在的两相/三相混合精馏过程具有重要意义。 2.针对三相精馏中传质参数计算的难点,开展了基于NEQ模型的参数估计研究。提出了一种分层估计策略以归类不同被估参数,成功地实现了多数据集参数估计问题的分解降维。根据参数估计结果,建立了一些扩展的传质经验关联式,首次有效地解决了非平衡模拟中传质参数难以估算的问题。研究表明,在三相精馏模拟中采用扩展的传质关联式可以显著地提升NEO模型的预测性能。 3.通过分析汽-液-液三相在填料上的流动特征,建立了三相精馏的传质机理模型,可以用来定量计算汽-液-液三相界面上的所有传质参数(填补了文献上的空白)。研究表明,第二液相的流动模式将对三相精馏的分离效率产生显著影响。本文通过参数估计的方法,基于大量的三相精馏实验数据,辨识了不同操作条件下第二液相的流动模式,进而揭示了三相精馏的一些本质特征,对于学术界有关三相填料精馏的分离效率(上升或者下降)的争论,也能够给予合理的解释。 4.为了研究三相精馏塔的控制和优化命题,建立了三相精馏过程的动态EQ模型和NEQ模型。对比了EQ模型与NEQ模型的动态仿真差异,并通过实验数据验证了动态NEQ模型的可靠性。此外,开展了基于三相精馏动态NEQ模型的参数估计研究,并印证了前文关于第二液相流动模式的辨识结果的准确性。 最后总结了全文并建议了未来的研究方向。


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