三相精餾過程的非平衡模型與優(yōu)化研究

亞紅波 王薇 張寧 辛興

摘 要：本文對(duì)三相精餾的非平衡模型進(jìn)行研究，提出優(yōu)化三相精餾非平衡模型的方法，希望可以為三相精餾過程的持久發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化；非平衡模型；三相精餾過程

1 三相精餾過程的非平衡模型

1.1 靜態(tài)非平衡模型

兩個(gè)液相、一個(gè)汽相是三相精餾過程塔內(nèi)的主要分離物質(zhì)，通常情況下會(huì)在三個(gè)相接觸界面（即一個(gè)液液接觸界面、兩個(gè)汽液接觸界面）進(jìn)行傳熱過程、傳質(zhì)過程。若是將數(shù)學(xué)模型同時(shí)建立在每個(gè)相的接觸界面中傳熱過程、傳質(zhì)過程里，這時(shí)非常困難的，主要是由于與兩相精餾過程相比，三相精餾過程具有更為復(fù)雜的單純汽液液間的傳熱、傳質(zhì)。于是提出三相非平衡模型，在建立該模型的過程中提出假設(shè)，以便為模型的建立提供幫助。如假設(shè)整體填料塔具有絕熱的性質(zhì)；假設(shè)該三相內(nèi)存在完全混合的液相主體、汽相主體；只有連續(xù)液相、汽相之間具有傳熱過程、傳質(zhì)過程，所以可以忽略不計(jì)非連續(xù)液相、汽相的傳熱、傳質(zhì)；在平衡的狀態(tài)下，兩個(gè)液相具有相應(yīng)的溫度[ 1 ]。如圖1 所示就是該三相精餾的非平衡模型：

該模型主要是用來對(duì)相界面的傳熱速率、傳質(zhì)速率進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)概模型的參數(shù)計(jì)算時(shí)可以將其看成是一個(gè)6n+6的階非線性系統(tǒng)。各相能量平衡方程共有兩個(gè)總方程。

1.2動(dòng)態(tài)非平衡模型

該非平衡模型中含有的規(guī)整填料具有4種不同的類型、三組分體系具有四個(gè)不同類型。如在水、異丙醇、甲醇體系中，根據(jù)Pelkonen et al.（2001）實(shí)驗(yàn)得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息：各個(gè)組份之間的狀態(tài)是完全混溶的，80.37℃這個(gè)二元共沸點(diǎn)是水、異丙醇之間共同存在的，實(shí)驗(yàn)過程中使用的塔料具有985毫米高度、100毫米的塔徑，同時(shí)具有冷凝器的數(shù)量為1個(gè)，調(diào)料段的數(shù)量為2個(gè)，再沸器的數(shù)量為1個(gè)，不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)整填料Sulzer BX為主要的填料類型。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，其設(shè)置的外部環(huán)境為1個(gè)大氣壓、全回流，實(shí)驗(yàn)過程中取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共有6組，而不同的進(jìn)料濃度、不同的再沸器負(fù)荷是6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間最大的差異性所在。而平衡模式和非平衡模型所參照的仿真參數(shù)存在較大的差異，填料手冊(cè)是平衡模型仿真中HETP值的主要來源，而Rocha et al （1996）、Bravo et al （1985）模型是非平衡模型仿真中的有效相接觸面積、二元傳質(zhì)系數(shù)的主要來源。在實(shí)驗(yàn)中比較實(shí)驗(yàn)非平衡模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、非平衡模型的仿真結(jié)果，從中可以看出這兩種數(shù)據(jù)的吻合性比較好，而平衡模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果之間存在較大的相差。而在某些實(shí)驗(yàn)過程中具有比較相近的平衡模型的仿真結(jié)果、非平衡模型的仿真結(jié)果，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于在塔底中含有的組分甲醇的與純組份非常接近，在這時(shí)塔底組份中幾乎沒有水的含量。所以創(chuàng)建的模型存在較小的差異，也可以從實(shí)驗(yàn)中了解到，在對(duì)填料塔的分離效率進(jìn)行估計(jì)時(shí)，平衡模型會(huì)出現(xiàn)過高的估計(jì)問題，采用這種模型會(huì)出現(xiàn)過于理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而非平衡模型的估計(jì)結(jié)果則相對(duì)較合理一些[ 3 ]。

2 三相精餾過程中非平衡模型的優(yōu)化

2.1 分析非平衡模型參數(shù)的靈敏度

在對(duì)模型仿真結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)模型各參數(shù)的影響進(jìn)行充分的考慮，主要選擇液相二元傳質(zhì)系數(shù)、汽相二元傳質(zhì)系數(shù)、有效相接觸面積等七個(gè)非平衡模型參數(shù)，在以往的分析中，準(zhǔn)確的估計(jì)這七個(gè)參數(shù)時(shí)僅使用一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是難以實(shí)現(xiàn)的，所以在實(shí)際估計(jì)中采取估計(jì)那些對(duì)精餾過程分離效率影響較大的參數(shù)的方法，從而找出最靈敏的參數(shù)。而在非平衡模型的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)臄z動(dòng)測(cè)試每個(gè)參數(shù)，使每個(gè)參數(shù)達(dá)到20%或40%的增大程度，然后對(duì)其多對(duì)應(yīng)的塔頂汽相摩爾的組成變化情況進(jìn)行及時(shí)的考察，由此可以了解到對(duì)精餾過程的分離效率具有較大影響的最靈敏參數(shù)就是有效相接觸面積。

2.2 優(yōu)化分析

在均相的精餾過程中最大值為正丁醇的AARE，其次是正丙醇，在非平衡模型中實(shí)驗(yàn)的有效相接觸面積靈敏度具有相同的大小，所以對(duì)于有效相接觸面積的調(diào)整可以采取優(yōu)化的方法，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值、非平衡模型仿真結(jié)果相接近的目的。另外非均相的精餾過程也出現(xiàn)了相類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在非均相精餾過程中最大值為正丙醇的AARE值，其次是正丁醇的值。且實(shí)際精餾過程中具有較大的不確定的有效相接觸面積模型。在精餾過程中使用非平衡模型的方法進(jìn)行進(jìn)行分離，最不精確的參數(shù)就是有效相的接觸面積，主要是由于汽液相界面特性會(huì)受到組份特性、持液量等因素的影響，所以在優(yōu)化三項(xiàng)精餾過程非平衡模型時(shí)可以采取優(yōu)化精確計(jì)算有效相接觸面積的方法。

3 總結(jié)

綜上所述，通過對(duì)三相精餾過程的非平衡模型以及優(yōu)化的深入研究，從中可以看出三相精餾過程的應(yīng)用具有重要意義，為了促

進(jìn)該技術(shù)各方面性能的提升，可以采取建立非平衡模型的方法，而非平衡模型具有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種類型，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以結(jié)合具體情況選擇建立恰當(dāng)?shù)姆瞧胶饽Ｐ汀Ｍ瑫r(shí)對(duì)其優(yōu)化可以采取優(yōu)化精確計(jì)算有效相接觸面積的方法。

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作者簡(jiǎn)介：亞紅波（1995-），女，遼寧朝陽人，沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)教育專業(yè)。