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三相精馏过程的非平衡模型与优化研究

郭敏强  
【摘要】: 精馏过程的仿真和优化计算通常都是基于平衡模型。平衡模型假设离开塔板的汽相与液相处于平衡状态。实际精馏过程往往很难真正达到汽液平衡状态,因此Murphree板效率和等板高度概念常用于修正平衡模型计算中的非理想特性。然而对于多组份精馏过程而言,Murphree板效率和等板高度值对各组份并不完全相同,且组份间不存在直接关联关系。尤其对于复杂的多组份精馏过程,例如本文所讨论的三相精馏过程,平衡模型对过程的描述会造成较大误差。因此,随着对精馏过程模型精度要求的不断提高,急需一种新的建模方法来克服平衡模型的缺陷。非平衡模型作为一种新的更严格的建模方法正是在这种情况下而发展起来。 在工业上,三相共沸精馏过程或称之为非均相恒沸精馏过程在近年来逐渐表现出其特殊应用和巨大的实用价值。这种技术通常被应用于有效分离共沸体系,而传统的精馏技术却无法有效地对其进行分离。对三相共沸精馏过程而言,一个汽相和两个液相形成汽液液三相共存现象,第二个液相会或多或少地改变精馏过程的流体力学特性并最终影响过程的传质分离效率。在三相共沸精馏过程建模仿真和优化计算中,由于两个液相可能同时出现,判断液相稳定性问题已成为了一个三相精馏过程计算的瓶颈问题,这也是本文的研究重点之一。 本文主要研究了填料塔精馏过程的三相非平衡模型建模、仿真和优化问题,并进行了一系列实验验证,具体内容包括: 1.由于三相精馏过程涉及到液相稳定性问题,即初始液相是否会自发地分裂为二个液相,因此对于三相精馏过程的仿真及优化,首要的问题是判断液相数目。本文提出了三种新的有效相稳定性判断方法,这三种方法各有相应的应用范围和侧重点。所有三种方法都属于非线性方程优化求解范畴,并被证明了具有一定的鲁棒性和快速性特点。 2.提出了一个严格的填料塔精馏过程三相非平衡模型,并对其进行了仿真和实验研究。结果表明非平衡模型提供了比平衡模型更准确的分离过程预测,非平衡模型仿真结果取得了与实验数据良好的吻合。 3.在非平衡模型的基础上,对填料塔建模时的填料分段策略进行了系统地分析研究。研究结果表明:对于两相填料塔精馏过程,填料分段数目可以设为与填料理论板数目相等,其误差不超过1%;而对于三相填料塔精馏过程,填料分段数目需设为两倍填料理论板数目,其误差才不超过1%。在模型仿真计算中,三相填料塔精馏过程比 n们安 ................ 两相填料塔精馏过程需要更多的填料分段数目。 4.基于阶跃摄动测试,对非平衡模型主要参数进行了灵敏度分析,结果表明模型中的 有效相接触面积的灵敏度最大。由此,本文提出了一种两相和三相精馏过程有效相 接触面积优化计算方法。优化结果表明:在精馏操作载点和泛点之间,三相精馏过 程的有效相接触面积优化值比文献模型预测值更大,而两相精馏过程的有效相接触 面积优化值与文献模型预测值吻合良好。 5.实验结果表明三相精馏过程在载点之前的分离效率比两相精馏过程的分离效率低 21%,而在载点和泛点之间,三相精馏过程的分离效率则比两相精馏过程的分离效率 高了近51%。 6.建立了一个三相动态非平衡模型。对于本文的研究对象,三相动态非平衡模型的仿 真结果表明了系统具有轻微的不对称非线性特性以及一定的祸合性。 最后总结全文,提出了有待进一步研究的工作重点。


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