亞紅波 王薇 張寧 辛興

摘 要：本文對三相精餾的非平衡模型進行研究，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

兩個液相、一個汽相是三相精餾過程塔內(nèi)的主要分離物質(zhì)，通常情況下會在三個相接觸界面（即一個液液接觸界面、兩個汽液接觸界面）進行傳熱過程、傳質(zhì)過程。若是將數(shù)學模型同時建立在每個相的接觸界面中傳熱過程、傳質(zhì)過程里，這時非常困難的，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，所以可以忽略不計非連續(xù)液相、汽相的傳熱、傳質(zhì)；在平衡的狀態(tài)下，兩個液相具有相應的溫度[ 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相界面的傳熱速率、傳質(zhì)速率進行計算，同時概模型的參數(shù)計算時可以將其看成是一個6n+6的階非線性系統(tǒng)。各相能量平衡方程共有兩個總方程。

1.2動態(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不同類型。如在水、異丙醇、甲醇體系中，根據(jù)Pelkonen et al.（2001）實驗得到以下實驗數(shù)據(jù)信息：各個組份之間的狀態(tài)是完全混溶的，80.37℃這個二元共沸點是水、異丙醇之間共同存在的，實驗過程中使用的塔料具有985毫米高度、100毫米的塔徑，同時具有冷凝器的數(shù)量為1個，調(diào)料段的數(shù)量為2個，再沸器的數(shù)量為1個，不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)整填料Sulzer BX為主要的填料類型。在實際實驗過程中，其設(shè)置的外部環(huán)境為1個大氣壓、全回流，實驗過程中取得的實驗數(shù)據(jù)共有6組，而不同的進料濃度、不同的再沸器負荷是6組實驗數(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。在實驗中比較實驗非平衡模型的實驗數(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，而平衡模型的實驗數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果之間存在較大的相差。而在某些實驗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，也可以從實驗中了解到，在對填料塔的分離效率進行估計時，平衡模型會出現(xiàn)過高的估計問題，采用這種模型會出現(xiàn)過于理想的實驗結(jié)果。而非平衡模型的估計結(jié)果則相對較合理一些[ 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

在對模型仿真結(jié)果進行分析時，對模型各參數(shù)的影響進行充分的考慮，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非平衡模型參數(shù)，在以往的分析中，準確的估計這七個參數(shù)時僅使用一組實驗數(shù)據(jù)是難以實現(xiàn)的，所以在實際估計中采取估計那些對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?shù)臄z動測試每個參數(shù)，使每個參數(shù)達到20%或40%的增大程度，然后對其多對應的塔頂汽相摩爾的組成變化情況進行及時的考察，由此可以了解到對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，在非平衡模型中實驗的有效相接觸面積靈敏度具有相同的大小，所以對于有效相接觸面積的調(diào)整可以采取優(yōu)化的方法，從而實現(xiàn)實驗值、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)了相類似的實驗結(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行進行分離，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受到組份特性、持液量等因素的影響，所以在優(yōu)化三項精餾過程非平衡模型時可以采取優(yōu)化精確計算有效相接觸面積的方法。

3 總結(jié)

綜上所述，通過對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用具有重要意義，為了促

進該技術(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)、動態(tài)兩種類型，在實際應用時可以結(jié)合具體情況選擇建立恰當?shù)姆瞧胶饽Ｐ?。同時對其優(yōu)化可以采取優(yōu)化精確計算有效相接觸面積的方法。

參考文獻：

[1] 羅淑娟，李東風.催化精餾技術(shù)新進展[J].石油化工，2011.

[2] 于丙芹，張貝克，孫軍，高立東.精餾過程動態(tài)仿真建模[J].計算機與應用化學，2011.

[3] 齊永君，翁惠新.催化精餾過程模擬穩(wěn)態(tài)模型的研究進展[J].化工進展，2010.

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