氢同位素低温精馏动态过程模拟研究

【摘要】： 核能是目前公认的能最大规模替代矿物燃料的能源。受控聚变的研究已给人类展示出取得更加安全、清洁，而且是无限丰富的能源的美好前景。在廉价制取聚变燃料氘以及提高核能原料利用率的方法中，低温精馏被认为是最经济可行的分离氢同位素的方法。然而，由于氢同位素物系的一些特殊性，使氢溶液的汽液平衡数据很难测得，到目前为止，还没有一个可以准确描述氢溶液的热力学模型。本研究的主要目的就是建立一个可以准确描述氢溶液汽液两相平衡关系以及热力学性质的严格热力学模型，并对实际氢同位素低温精馏过程进行准确的模拟计算。通过对精馏过程稳态和动态过程的模拟，研究实际工业精馏过程中各相物料的组成、温度和流量在塔内的分布状况，以及影响这些分布的因素。 1、 将Soave改进的BWR方程（1999年）应用于饱和氢流体，通过实验数据对方程的参数进行了选择和优化。此方程可用于饱和氢溶液气液两相p-V-T关系、热力学性质以及气液平衡关系的预测。可作为低温精馏分离氢同位素的一个严格的热力学模型。 2、 应用严格的热力学模型研究了带有侧线循环及平衡反应装置的氢同位素低温精馏塔的稳态分离特性。塔的一侧线流股经过一个平衡反应器完成平衡反应后，作为内部进料流股与原外部进料混合后重新进入精馏塔内进行分离操作。通过对带有侧线返回进料的塔的计算模拟，阐明了这一侧线流股对塔分离特性的影响。 3、 分析了浓度极稀物系动态精馏模型的特点，建立了此类物系动态模型的求解策略，通过对模型中状态变量的转换，使原本刚性较强的微分方程组转化为一非刚性的常微分方程组。使用一般通用的积分方法，如Runge-kutta法即可得到精确的积分结果，并且积分时间大为减小。 4、 阐述了使用MATLAB实现动态模拟过程的方法。建立了使用界面良好的氢同位素低温精馏动态模拟模型。 5、 应用严格的热力学模型研究了氢同位素低温精馏塔在不同进料扰动、回流比扰动以及馏出量扰动情况下的动态响应情况。分析了不同开工策略对开工时间的影响。讨论了带有侧线返回进料的氢同位素低温精馏塔的动态过程特点。 6、 针对氢同位素低温精馏物系的特点，提出了一种新的操作方法——准间歇精馏操作。对准间歇精馏过程进行了分离特性的研究和讨论。