乙烯水合乙醇精制系统模拟计算
!
化
年学
工
程
第
∀
期
乙
烯水 合乙醇精 制 系 统模 计 算拟姚平
经丁惠 华#
连大工 学 院∃
在 乙 ‘烯 江 水 合 接乙醇 精 制 系 统 小型试 验研 的究鉴 土础仁
,进行 了乙 水 合烯 乙醇
统 专用 的《
统系模
。
精制 系
的统 模 计拟算
拟 计 算程 序》 。
。
提 了
供《 塔单模 拟计 算程序 》 和 精 制该系,
可
以进行 种操各 方 案 作的 较
%比
生为产
、
设
计 供提考 参据
依一
、
前
,
士%
计
算 的方法 #如 松弛法 算 计 四 次然 矩 阵 法后,
计曰 算 一次一
,
交
替 进行 下 ∃去 川〔+
。 ,− +. /.
。
,
和
进的
0改 2 3/1
∋ , ∗1
、,
过
程模 拟是 用 数 模学型 来 描 述 化 工 过 程
, ()∗ 矩 阵 法 (
1 # 4 /.
0
)
1
然 求后 解学数 型模“
〔 一 ’“
得。 有关到化 工过程
一
‘! ) 1 0 2 3 5∃ 仁
,,
上 述两 方种法 收 准确
敛
能 性的信息
稳定
速 度
较快
计。算 果 结同 引进 装置 附 带
。
乙
烯 水合 醇 精乙制 系统 实为 一塔系 #匕
的料资 进 行 了 对比
、个
蒸 馏装 置系 ∃ 统所 以蒸馏塔
,,
相 平
衡 的 数。
学 型模 及求解尤 为重 要
,统
,
要适 用于 非 想 系 该理系
统、
二 烯 水合乙 乙醇 精 制 系 统 的 分 析
该 系 统 工的 艺 流程 如 图
还 准 确要
、
、
快
速、
定 地稳 敛
,收
示
、
,
反 应 工
.段9 入进第
处 理
的物 料除 有含大量 水分 的 还外 有乙 醛乙醚
乙醇。 、
来 之粗 醇 分 别由 容 器
6,#( ! 一 ! 7
∃
一8
7
6
一
丁仲 醇
、
烃 类
等
,
为一 非理 想
,
一
一 萃取 馏蒸 塔#( ! ∃ 7 第 二萃 和取蒸 馏 塔
的极 溶性液 了复 性杂
、液
,
一 并含有 液液 相 平衡 过 程 增 加
水 萃取 剂
为。
产
品由 乙 醇 馏精塔
一
(
#&〔 〕
一:
+;
醇 = 馏 精塔 #(一
!
7∃
、8
引 另出外 ,
。
本
采 文用 修正的 威 尔逊 方 程
液相 液平 关衡
一系
算计
汽
还∋ 有不 含 碱的蒸出塔 #( !7
;黝 含碱
的蒸出
七共个
〔
。
蒸馏
塔 计的 算采
‘ ’”
塔
(#
一
+ ; ( ∃: ,。
乙
精 醛 塔 #馏 一 !( 7 ∃
9用
弛松
法〔
’ ,
与
三对角 线 阵矩
法合 交结
替
馏蒸 置
装下
动
江
瓜
〔 那
乙
〔 俐
严〔
秘
召
乙
那月
「
厂
犷
执 衬
。,
’ 羚一一
工由艺 流 程 图
图
!
。
可,作 出 其 信 流息程 图如,
塔 每
迭 代 次一 需时 秒弓左 右 ∃ 而 的有则需
数,
示
乙 醛精 馏 塔 醇 丁精馏 塔 可 由 系 中统, ,
百次迭代 的精 度
,,
所以 在 系统迭 代 中要尽 可能 使的避 免
的 塔有 早已 达 到
精 度 #而 其 它,
。
分隔 出 来 而 剩 下的 个五 构 成 塔 最 长了环 路
蒸 各塔馏 同 整个 循 环 系 统同 步 敛收 达到 一 定
装 以置及 循环 系 统 还 远 离 敛 收 而∃作 无效 的 迭计算代 本 文 用 不采同 蒸 馏选 用 不 塔同
。的
包 有含三 个 环 路( !
>7
一
、
(
一! !7
7, ( !
一
叫一 一一 环路 ! 7 (、 :( ?≅ 、 ( ∗! ;7
, ,+
一(7!
叫
∗ 环路
( 环路
。
一一( ! ;7
,
叫 如选何择 合适 切的断 物 流 。
以
少
减
迭代 次数 而# 不 是规 定 单个 装 置 迭代 精 度 顺∃序 计
下算去 但 该 序顺 求解 需 迭 代 次 多 需
,
数
循 回环 路 的 迭代 算计 呢量 因Α 该 统系比 较 简
单环
,
不
必 采用 布尔矩 阵 进 行分 析
,,切 断 流物
,由 信 息流
机 多 #9
%
时
;
小
时∃
,
,
而 采 类用 似 联立 解求
,
程
图见
,可
可 即解人裂 环和
∗则 需 迭
代 次数 少
需, 机时少 #
,
小∃
,
时
。否 则 切 断 要其 两它 个物流 才 能裂解 环
该系统 模拟 程 序 含包 的子程 序 有威尔逊 参 数 角线 矩 阵法 衡数
一
常,
>
修正
三
对
和 环∗
而 每协 断一 物 流所 组含 数分# 相 当
“
活 度数
系
泡点
露
点,
,
于 该 切 断
物流的
一
代价
∃大”体 等 所相以 选 %
,,
松
弛 法
,,
,
) (∗矩 阵法
相
平 ,
择
切 一断 个物 流 ,裂 解 环
选相
对 发 度
挥三
种收 敛误 差求 值
,
择,切 断 另外 个两 物流裂 解
外
,。
另
(
;
液 液相平 衡 流混合 #
3 Χ
,
Β 液 烩 相汽相
,烩
,热
算
。
,
衡
物由工
流艺程 图可 见
,,
,
! (
一,
一
7
!
蒸
塔馏计算 3法
搜∃ 最索佳 进 位 置料 出 输 打和印 等
可
以 合 一 在起,
构
成一 个 精 馏 塔
所以环
+ 路 .1 。
输。
入,
( 不 必 裂
解 把( 一!
结表 下构,
列
出了 某一 给 的定 操 作 件条和 系 统循 环系 统 各次迭 代 中 断切物 流 各
组。
个
塔 减 少了 系 统 中 单的 元设 备 #也 数就 在是
息 流程 图信中减 少了 节 点数 目∃
一%
。
分组成 的 相 对误
差
・、碑
一,
,
,
‘表
循环 系 各统次 代 迭切中断 物 关流键
组 组 分 的成 对相误 差 要 #求 小于 7
一
9红丁
辞 踢
”
∃顺 序求 解
迭
次数
二 八代 曰任 Φ, % 勺Φ1
乙
醛
Δ1 1
乙1
醇Ε
乙
联 立 求 乙解醇
Δ醛
(
/2#/
1 1
((
/2((
/)3(
( (/2
2( ( ( 5 4 3 ( ,((#(4
(1
一 徽
图
#
锁 姗泣
( /0( ( 40( 了#
2
1 5 ,(6 3
1
,(
((#,0
1
(
信
息
流
程
图
!口 咨行 八∀
( (2 #
(
1
7(
(( (/ #0
1
该
循 环 系 统的迭 代 算 采计 用 直 迭接 代
( (/ ) 3#1
1
(5 (( / (
/11
法
,
到稳得定 的敛
,收
。
,
因 为 返回物流 量 相 对 即 反 出 该映 统 对 系返‘
刁 几 & 工自 上, 人 门 ∃‘性 %几人 !, ! %,
(
(3( /4 ( 7((((230
于
料 量进的 比 例 大
不回物 不流 甚 敏
感 ( ((0 # #,1
1(( ( (( 2/4
1 1
(
(( 2(4 (( (( (#(#/
((( 0# 2/ (((((#0
#
11
循
环系 统 中四 个 馏 装 置蒸 ∋ 中 有 其 一 蒸个 装 置 馏包 了含 只 需迭代 , (
一(
( ( //)了1
((((//(了
1
‘
#)
(∗ 和,
一
( #
)
两个 塔+
,
,(
1
(
(/ /)/
( ((((4(
(11
( (( 5了0 ( ( ( (( (2 4
#
1
各自 计算 的 难 易 度 不 同程
有
的收敛 较
一快
左次 右 在 ∋ .− /机上 0
蒸馏
组分
组成 的 对相误 差定 义为
8
前
两 次 后迭代 切 断物 流中 9 组 组分成 之 的差 对绝 前值 次 代迭 切断 物流 中 9 组 分组成
赞
(一2
循环 系统 各 迭代次中两 股 退回物流 各
组 分组 成 变 化的列 于
表表
!,‘
△0 的 间 时 隔
间,
第对 块Ν 板作 主 分 物的料 组
,
!
表,
9。
算
衡
>
返 物 流 之回 一一 一第 二 萃取 蒸 塔 馏 釜液 成组在 循 环 统系 代迭 的 中变
∃化
一>
’
“〔 6 Ν一 ‘
Ο,
3
十
Π
Θ
,
,
一
3一
Β 。Π
・
3
,
∃∋
一
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乙 乙
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%
7
∀
即
输入
一
输出
二累
积
7
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%
&
7式
中
5工、
Φ
>、
6
Ο
塔板
上 体液
塔 板上液体 进料量
、
、
汽 负 荷蒸 蒸 汽组 成
、
返
回 物流 之 二一一 乙 醇精 馏 塔顶 塔组 成在 环循系 选 代统 中的弈化
Β
、
‘
组
成组
Η
第 二 分 次 代迭第 三次 代
迭・
Τ
・
“
塔 板 上液 存量 # 蒸 汽 存 忽量略∃
乙
乙
Δ 醚・
。,。 ; 。“。 Ε 。 。 醛9 7 。 。” 9“。 7 7 7 7 ∀ !、“。 ” ‘, ‘。, 。”‘ “
・・
乙
醇
‘醇丁中
一土
%
7
? ϑ 7Δ“ ‘ ‘ ;Δ。 7“ 7 Δ 7Ε 二塑
三・・
?
?
Ι7
3
分
组塔 序板 号 从#塔 顶 往 数下∃
三 对角 线矩阵 计算法蒸 塔 是馏 用 稳 状
定
,Λ
7Η“ ∀; Δ + “77 7Ε Ε3 竺一 二∃ 二
少・
” 777
・
・
Δ
7
Μ ,
Ε
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・・
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Δ
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7” 8 9・
7“ 7 。
・7
Ε 望
旦, 二 竺生 一 竺 全 一塑
Ε%
7
“ 7 7
・
7
的态数 学 模 型 结 合 表式 达为
其
物 料 算衡与 相 平 衡 方 程的 >
三
、
馏蒸塔 的计 算
? ,>Α =
了 /% ?
1
Β
Β
‘
Χ
Χ;; ;
,
:% ,,
目
Νς
%
∗
Α#
?
Δ
Δ
∗Ε
Α
,
。Η
Φ
,
该 系统 为一 ,塔系
理处 物料 为非 想理 系
,
、
∗
Α
∗。 一
,
沁
并
含 有 液 液 相 平衡 过 程 所 以 单 个蒸 馏
一
,
。
Α
ΧΧ ΓΧ 一 ΧΧ。
Υ ΙΥ
Γ
Γ
一
人.
%一
Γ
。
Λ>
尸
;
气玉吐
塔
计 算 格外的 要重能的
单
,简
必须 采 用准
,确
。
速
、
稳定快收 的敛 计算 方
法而且
其 程 序化要 尽 可三
对角 线矩 阵法 ,
式中符 号说明 略从
。
以方 便
用户
松
弛 法 通是过 不 稳 过定程 的 物料衡算 式 来 求 解各 塔板 上 新 液的相 组成
,
程序 简 单
醇精 馏 塔
,
敛收快
,但
一对些 非 理 想 统 不
。系
,
具 模有拟 精
能 收 敛 本∋ 统 系中用 三对 线 矩角阵 法 计算乙
、
馏
操 作不 稳 过定 程 的性 能 ∋ 就 是 也 开 由工到 稳 定操 作的 态动过 程+ 值初对 的 收它敛 解 没 有影 响 正确解 ,
丁醇 馏精 不 收塔敛 + 根 以 据往 使
, ,
用
松弛 法的 体 会 该 法是一 个很 有 效 的 法方
逐
次迭 代 使都 塔内 组成 连续 地 逼近
三 对 线矩角 阵 法 通 过 稳 是定 状 态
,的
程 简序
,单
对
非理 想 统 可 系以 得到 准 的确 收,
。
敛 解0为提 高 其收 敛 速
矩 度 阵结 法合起来 交 替 使 用 系,
我们
把松 弛 法 同
非 理 想性 强的 物
,物
衡 料 式算求解 板 塔上 的液 相 组
成它使塔
,内
浓度 分布 较快 地 建 起来立
的 作
““用 8。
,
到起 快 收加
松敛 法 迭弛 代次 数 占 的 比例 大 些
,8
∋
8
如
松
,,
法弛 代迭 次数
阵法矩迭 次代 数 2一
。
/+
图
, 示出 用 松 弛法与 矩阵法 结合交 替 计
理非 想性 甚不 强的物
系 比例的 可小以些
弛松法 代 迭次数占
算
的 方 法 得到 的 第萃二 取蒸 馏 浓塔度 分 布 和 温度 分
布 。
表
2
列 出
计/ 算 的 塔
顶‘
、
塔组
釜。
松
弛法 是建 立 蒸馏 的 塔不 定 状 态 稳 程
方
成 同 进 引 装 置 带附 的料资 数 据的 比 较 另
外
,
去求 稳 定其状 态下 的解
。
从某 时 间 ≅至
≅十
采
改用 的进
Ι
Α一 矩阵 ∋法对 由
一 2 一
/ 相 旋组
珑一
仲 和 高 松提 出的 () ∗ 矩 阵法
〔
“!
‘ 作一了 定、
的
正 ∃修 进行蒸 馏 塔 的 计算Ξ
Ω 卿国口 , Ε Δ,
Ε,Ε口Γ 田 Ε田,皿 ,Δ 日月 皿 口 ΕΔ Ε ,ΔΔ,Ψ口田田 , ΙΔ日. ∋ 恻 Β皿 旧Δ ΔΙ ΙΕΔΨ口 田 田Ε川 Γ口呱 ΕΙ 川 口口田田Ι ΕΕΕ【 川 口旧旧 Ι 「Ε 一 Ε ΔΕ川Ε 日田 川 日印 翩刚Ε 闪下Δ Ε 下 习川Ι厂ΕΕ 门印 Ζ Ε,口Ε可 ΔΕ Δ , 口 Δ Ψ旧日 Δ阅 ,Δ口 田团 ΕΙ目 翩Ε盯工 「口 卜 Ι Ε闪Ε 口臼团 ΕΕ团皿 ,敝 址 洲= 口口,团 0Δ 下日团徽 , 侧印 研 日川 团 编 研甘Δ广该ΙΔ 【Ι 口门朋 Ι Ε 压Ε 田Ι‘
,也
到了达准
。 确,
,
,
速 快 的 敛收
图
。
该 法另有 文专介 绍
!78
,
丁 醇 塔 是该 系 统 中 较复 杂的 精 馏 塔
见
中 (
之
,
一
塔7
有 ; 块 实际 塔 #板 这里。
7按 塔 效率; ∴ 算计∃
进其料 为乙醇 精馏 塔 ,
一
的
侧 线 含有较 的多仲 丁 醇 其组 成#分子 ∴∃
一
Ε 黝口 印门下叮 生Ε Ι黝 Ε Ι ΔΖ Ε口Ε研 田 下 日口 Ε Δ公Ε 盯 Ψ 那 田门ΔΕ 田 2 丽 勺 Δ 蔺药 Ε门 哪 Ι印[祠门 而.Ι 宝 「Ζ 、 下团 口 日 Δ Ε附 山 门「Ζ雨川 田 Ε 而Ζ门 下门 甘 『, Ε Ε 和 川Ι如 广 功 Ε
洲Λ
‘
门
味
胜丽
叮
犷 Ε,
Ε
口 日 田ΕΕ团
为
醇
乙
8&>
%
&
,
仲
丁醇
,
>7
%
;9
。,
水
>;
%
∀
。
塔 顶
出 乙 醇 品
产釜液为 废 水
,
塔在的 中下
部仲 , 醇 富 集
进 丁入 凝冷
回器塔
。中
,
所
以 开 一汽 相 线 侧出
,引
并
,
,
凝
液 两分层富 仲 丁 醇 层引 出,
Ι门 刃 期 Ε Ε了 厂丁 门 翎ΕΔ 田「门田 而 刀 ΕΕ 下厂Δ阴 『Ι ΔΔ Ε如 「Ζ 门 ΕΕ们田而 「门 百而 Δ Ε 阶 Ε门Ζ门丁Ε Ε以 Ε 以Δ 训2 ΕΔ Δ下日 们 Ι 厂 Δ #ΙΔ梦 日Ι ΕΖ口Ε ΙΔ田 Ε ΨΩ而 2 &】田 口下 ,确2 Δ门 ,ΔΕ Δ 侧 门印ΕΖΕ 田 丁 Ε 哪日沪 Ι,厂 『 ΕΙ门门ΖΖ Ε田 Ε 国 田出砚日 口 」日Ε 口 田口 Ε山国
Ι一
一
反去 应部 分抑 制 副 反
应另一 层 # 水层∃ 又 返则 液 之 凝 两
层
,汽若 相组 改成
变
%的
成 及 组 重量 也随之 化变 这 种带 有 一 液液 相平 衡 的 过 插 入 蒸 程馏塔 的 迭 代算计中 ,
渊加增
肠
,度 4图
了复9 性杂
。、
讨
算结 米 同 引 进 置 装 附 带 资料
;的
二第 苹 蒸馏 塔 取浓 度
温度 布分
数 据列表 敛于 据
一为
一
%中
。
。
第二 萃 取 馏燕塔 用松 法弛 与 阵矩法结 合 替交 算计 的 法 计方算 的塔顶
、富 仲丁 层 重醇量 所分 占数为 78 犷 料 资
;
%塔
组成釜
7
8 ;
Λ ;Δ乙
一 Δ竺
一算值计%
一
亚二
77
% %
∋
资
料数 据 9
!
!兰〔
一Ε 兰兰呈 二
Δ计值
算
馏蒸塔 计 程算序 还 具 有 用 ΧΒ+ 3
. 1
44
法
3
资Ε料数
据・
搜索
最佳 进 料位 置
的功
率能 产或品量 大最等 ∃ 。 。
,
Λ
目标 函数可 根
醛 据 醇
醚77 7 !
97 77 978 9 Ε7 7 7
・7
7 艺工等 不 要求同来 确 # 定如 关键 组 分的 回
搜收 索中也 采 了取一
定乙
乙
7
∀7
%9
7
7∀ 977 !∀ 7
%
+ 77 777
・Ε 77 Γ 7
・7
7 7!
%
777;
% %・
7
Γ∀ ∀∀ %
仲
醇 丁水
7
777 ∀9%
77!7! 8;
%
Ε7
%
7
7
%
;了
7 7 7 7 7了9! 7 77 77 & ! 。。 ‘。 。。 8 、 “
%,
措施 以减 少 每 个 实验 点 蒸馏计算 的 迭 代 次
数
Ε
・
表
尸;ΜΜ Μ州一Μ Μ
醉 精馏丁 塔 计算 数 据 的# 液 相组 成
∃Μ
∋ ΜΜΜ Μ 幼Μ ΜΜ Μ甲 ΜΜ Μ如一 ∋一 ∋ ΜΜ Μ Μ
乙
醇
三
纽一‘ 一竺一上蔓 生土Ψ上竺 公 纂上 色一竺二 卜到竺里逻 一 兰 上竺上 竺上 兰到竺 Ι
一
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一
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・ ・
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二四
「
、
汽一
液
、
液 液一 相平 衡 计 算、
对
局 部 组 成 方 程 式的适 用性 进 行 了 一 些
比
,
较
“
乙本醇 精 制 统 为醛系
,
醚。
、
醇类 水溶 液
,
,
&程 〔’
如威尔 逊程 方‘’ 和 ]Ι 训Θ方 程 〔
’’
〔‘“’ ,
正修 威 的尔 逊方
Φ红修 正 尔 威 中逊
,。
是 非理 想 的
极性 溶 变 化 液大很
相
衡 平数 常随 组成 的
方程 精 度较 高 文 用之采,
,
且可 用于部 分 互溶 统
。
溶系 液在 一定组 成 下
冷。时 凝 相液
分会层
,
部为 分互溶 系 统
该
系统 的操作压 力为 ; 微巴 下以# 微巴
一8
一
‘!
儿
7 来毫汞 ∃ 柱气相 近似 按 理想 气体 理
处
,。
外另 也 计 了 算乙
一醛
,
、
醚
乙
、乙醇
水四
、
关于 液 相液 平衡 的 计 根 据热 力 算学定一
,
系 元统 的 液 相液 平衡得 到 的 两相 分 和 配 组 与实 成验 数 据 合符,
律度
,
当
两 液 相 达 平 到衡时 各液 相 中组 分 活的
其 活 度即系 数 乘 上 其 子分 分
,
率
并 用于 蒸馏 塔 的计
,
⊥
5、
Η
应
,
算
“’〔 ‘
。等相
因 此对 元多系 统 的两 液 相 平衡 言而
,
修 用正威 尔 逊 程 还 方计 算了系 统 包 # 部括分 互液
、
个二元 ,
可写 出 下 方列 式程
#丫
35
3
>
有 共
沸点系统 ∃ ,
8
个
∃
Ω
Σ
#
丫
35
_
∃
皿
三
元系统 汽的液 相平 还衡有 。
一个 元系 三统’
’,“
式
中上 标 工
,
亚
别 分代表 两 液个相
液的液 相 平 统 最大 衡偏 为 差 最大偏 差为
9
%∀
一
,
同
实值 验进行 了比 较‘
并且
等
于即
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第 89页 上】
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