Реальные моделирование дистилляции

Ранее, на основе моделирования неравновесных или скорости основе модели были рассмотрены непрактичным из-за их сложности. Однако, с возрастающей вычислительной мощности этих моделях не только возможным, но в некоторых обстоятельствах они должны рассматриваться как обязательная.

ХИМИЧЕСКИЙ инженеры решают свои проблемы с помощью перегонки модели экономического равновесия этапе, поскольку Сорель первых использовали модель для перегонки спирта более 100 лет назад. Seader (1) оказывает элегантный истории первого века равновесия на этапе моделирования. Real перегонки и поглощения, однако, как правило, не работают в состоянии равновесия.

В последние годы она стала более общие для имитации перегонки и поглощения массообмена курса основе операции, используя то, что стали известны как неравновесной, или норму основе моделей. В данной статье дается краткое описание неравновесных моделей и содержит ссылки на растущую литературу в этой области.

Моделирование старинке

Для модели завода, как показано на рисунке 1, мы разбиваем весь завод на более мелкие единицы. В этом случае растение содержит ректификационной колонны, которые показали увеличенный в центре панели рисунка. Есть много способов, чтобы модель весь столбец, но наиболее распространенным подходом является разделение колонке на ряд дискретных "этапы", как показано на третьей группы. Таким образом, вопрос, который предстоит решить в первую очередь это: Как мы модели этих этапов?

Уравнений этой модели этапах равновесия известны как MESH уравнений. MESH является аббревиатурой, ссылаясь на различные виды уравнения, которые используются в модели:

* M выступает за материальных балансов

* E обозначает равновесие отношения (чтобы выразить предположение, что потоки уходит со сцены находятся в равновесии друг с другом)

* S означает суммирование уравнений (мол. доли оказываются отрицательными величинами, а не подведет к единице, если вы заставите их)

* H выступает за жары или энтальпии средств (процессы сохранения энергии, а также массы).

Есть несколько математических моделей, в любой отрасли техники, которые так же хорошо подходит для компьютеров и решения, которые стимулировали развитие как можно большего числа различных алгоритмов как и MESH уравнений. Было бы слишком далеко от истины утверждать, что это равновесие этапе расчетов, которые привели компьютеризации инженерных и химических инженеров для компьютеров (1).

Модели экономического равновесия этапе это так просто в концепции, так изящна с математической точки зрения, основой для многих коммерческих программ моделирования столбца, и были использованы для моделирования и дизайна, так много настоящих колонн, что кажется почти еретической отметить, что модель в корне ошибочным. Тем не менее, инженеры-химики давно знают о том, что потоки оставив реального лоток или секции упакованы столбца не находятся в равновесии друг с другом. В самом деле, разделение на самом деле достигнуто, зависит от скорости перемещения масс паров жидких фаз, и эти ставки зависит от степени, в которой пара и жидкости потоки не находятся в равновесии друг с другом. Следующий вопрос: Что мы сделали эту фундаментальную слабость?

Обычным способом обойти это недостаток, что называется часто, как строгий модель (с некоторыми пренебрежение семантической точности), является применение эффективности. Некоторые виды эффективности были использованы в перегонки моделирования столбца и дизайна, в том числе общего, Мерфри, Хаузен и испарения эффективности. Мерфри эффективности (2), вероятно, наиболее широко используемых дистилляции инженеров и определяется по формуле:

где overbars указать средний мольная доля у входа (E) и выходе (L) потоки, как показано на рисунке 2.

Для насадочных колонн, мы используем нечто аналогичное этапе эффективность называется ВЭТТ (высота эквивалентная теоретической тарелке). На практике, эффективность и HETPs часто оценивается просто из прошлого опыта, с аналогичными процессами. Тем не менее, для новых процессов, этот подход не имеет смысла бы то ни было (и часто не выдерживает даже для старых). Инженеры-химики имеют, следовательно, посвятил много усилий для разработки методов оценки эффективности и HETPs (3, 4).

Эти различные эффективности все попытки представлять, в какой степени реальные лотки лоток столбец (или весь столбец себя) отходят от равновесия. ВЭТТ это номер, который легко использовать в колонке дизайна. Однако Есть несколько недостатков использования эффективность и в HETPs компьютерного моделирования на основе модели стадии равновесия:

* Существует нет консенсуса, на котором определение эффективности лучше (хотя многие эксперты перегонки будет признать предпочтение Мерфри типа эффективности).

* Эффективность Мерфри паровой фазы не то же самое, как в жидкой фазе эффективность на тот же лоток (эффективность Хаузен не разделяет этого имущества).

* Обобщенной эффективности Хаузен (иногда его называют эффективности стандартный (5)) является наиболее фундаментально здоровым, но unpractically сложно вычислить и никогда не будут использоваться на практике.

* Испарение эффективности, поддерживаемая некоторыми в прошлом, потому что их легко включить в программы для ЭВМ, не часто используется и сегодня.

* Эффективность отличаться от компонента к компоненту, а с лотка на лоток, в многокомпонентной смеси. Очень редко это обстоятельство учитывается в имитационной модели, использующей эффективности.

* Эффективность отличаться от этапа к этапу в лотке колонке. HETPs зависят от высоты в упакованном колонке. Такие действия повышения эффективности и HETPs зачастую не учитываются в обычных программного обеспечения для моделирования колонке.

Эти недостатки стандартной модели были известны в течение длительного времени (6). Таким образом, третий вопрос: Каким образом мы должны устранить недостатки стандартной модели?

Моделирование в реальном мире

В последние годы новый подход к моделированию перегонки и поглощения стала доступна так называемых неравновесных или скорости основе моделей. Эти модели относятся эти классические процессы разделения, как массообмена ставки регулируются процессы, что они на самом деле.

Строительные блоки неравновесной модели, показанной на рисунке 3, который иногда называют уравнений MERSHQ, где:

* M представляет собой остатки материала

* E представляет энергетических балансов

* R представляет собой масс-и теплопроводности скорость передачи

* S представляет собой суммирование уравнений

* H представляет собой гидравлический уравнений для перепада давления

* Q представляет уравнений равновесия.

Некоторые из этих уравнений используются также в создании моделей равновесия стадии, однако важно Есть различия в подходах, в которых сохранение и уравнений равновесия используются два типа моделей. В неравновесной модели отдельных уравнений баланса пишутся для каждого отдельного этапа. Рисунок 3 показывает, что материальный баланс на каждом этапе включает в себя условия представляют собой массовые передаваться от одного этапа к другому. Для уравнения, используемые в модели экономического равновесия этапе, сумма остатков фазы дает материального баланса для сцены в целом. Энергетический баланс рассматривается таким же образом - она разделена на две части, одна для каждой фазы, каждая деталь, по которой срок для скорости передачи энергии по всей поверхности раздела фаз.

Моделирование дистилляции и связанных с ними операций, скорости процессов, основанных на том, что они на самом деле требует от нас лицом к проблеме моделирования поверхностного массы и энергии, передачи в трее и насадочных колонн. Это то, что мы не будем делать в обычной модели стадии равновесия (хотя мы сталкиваемся, по сути та же проблема, если эффективность должны оцениваться с математической модели (3, 4)). Молярные потоки пара в жидкость может быть выражена следующим образом:

где с SUP V ^ ^ ^ я к югу и с ^ SUP L ^ ^ ^ к югу я мольные плотности надстрочными фаз, у ^ SUP V ^ ^ ^ я к югу является мольная доля в объеме паровой фазы, х ^ SUP L ^ ^ ^ я к югу является мольная доля в объеме жидкой фазы, а х ^ SUP I ^ ^ ^ я к югу и у ^ SUP L ^ ^ ^ я к югу являются мольные доли видов я на границе раздела фаз. К ^ SUP V ^ ^ ^ я к югу и к ^ SUP L ^ ^ ^ я к югу являются коэффициенты массоотдачи для паровой и жидкой фаз.

Включение в модель массового кинетических уравнений представляет мольных на границе, то мы не имели дело с до сих пор, по крайней мере, в явном виде. Оно является общим для предполагать, что мольные доли на границе находятся в равновесии друг с другом. Мы можем, следовательно, использовать самые известные уравнения термодинамики фазовых равновесий связать интерфейс мольных долях:

где индекс обозначает я интерфейс композиции и К ^ ^ к югу я это пар-жидкость равновесное соотношение для компонента i. Эти значения К оцениваются на границе состава и температуры с использованием тех же термодинамических моделей, используемых в обычных моделирования стадии равновесия. В состав интерфейса и температуры должны, следовательно, быть вычислены во время моделирования неравновесных колонке. При расчете равновесия этапе, уравнения равновесия используется для связывания состава потоков уходит со сцены и K-значения могут быть оценены в составе два выхода из ручьев и стадии температуры (как правило, предполагается, что должно быть одинаковым для обеих фаз) .

Физические свойства

Рисунок 4 определены основные требования физической собственности. Очевидно, что неравновесные модели более сложных физических данных имущества, чем стадии равновесия модели (кроме случаев, когда лотка эффективности или ВЭТТ и оборудование-дизайн расчеты проведены, но это сделано после моделирования и не являются необходимыми для выполнения колонке моделирование). Только физические свойства, необходимые для моделирования стадии равновесия, которые необходимы для расчета K-значения и энтальпии. Те же свойства необходимы для неравновесных моделей.

Пресс-коэффициентов переноса и межфазных областей должны быть рассчитаны из эмпирических корреляций или теоретических моделей. Есть много соотношений для коэффициентов массопередачи в литературе (3, 4). Эти коэффициенты зависят от колонки дизайн, а также его методы работы.

Мы не считаем, что потребность в дополнительных физических свойств должны быть причины не использовать модель неравновесной стадии. Методы оценки доступны для этих свойств, хотя они, как правило, гораздо менее точны, чем методы оценки термодинамических свойств (7). Однако, эти свойства необходимы лишь постольку, поскольку они необходимы для оценки коэффициентов массопередачи. В самом деле, чувствительность этих коэффициентов на любой из этих свойств является не такой большой, и тот факт, что мы не всегда точные методы оценки не должны действовать в качестве сдерживающего фактора на их использование. Скорее, это должно послужить стимулом для дальнейших исследований и разработке более эффективных методов прогнозирования транспортное имущества и оценка во многом таким же образом, как и потребность в надежной модели фазового равновесия служит мотивацией для разработки методов прогнозирования термодинамических свойств .

Проектирование оборудования

Оценка коэффициентов массопередачи и поверхность раздела из эмпирических корреляций почти всегда требует от нас что-то узнать о столбце дизайна. По крайней мере, нам необходимо знать диаметр и тип внутренней (хотя обычно мы должны знать, более того, поскольку большинство эмпирические соотношения для коэффициентов массопередачи есть зависимость от проектирования оборудования параметров, таких как плотины высотой лотков ). Это необходимо для более подробной информации конструкция оборудования позволяет предположить, что неравновесные модели не могут быть использованы в процессе предварительного проектирования (до каких-либо фактических дизайн оборудования была проведена). Однако, это не так. Колонка методов дизайна в литературе, а также в большинстве программ моделирования процессов. Легко одновременно решить оборудования размера расчетов и стадии равновесия расчетов (8). Это не добавит значительно трудность вычислений, и это позволяет неравновесных моделей, которые будут использоваться на всех этапах процесса моделирования, в том числе предварительное проектирование, детальное проектирование завода и моделирования, поиска неисправностей и модернизации.

Решение уравнений модели

Там было так много работы по разработке вычислительных методов решения равновесия стадии модельных уравнений, что мы можем существенно использовать те же подходы к решению уравнений неравновесной модели (8). Уравнений требуется два вида модели приведены на рисунке 5. Тот факт, что неравновесная модель-volves более уравнений не имеет значения. По нашему опыту, уравнений обеих моделей примерно одинаково простого (или трудно) решить.

Численное решение уравнений неравновесной модель обеспечивает инженера-химика со всеми количествах, обычно связанные с традиционной модели стадии равновесия - температуры, Расходы, приведенные, мол фракций и т.д. Неравновесная расчетах по модели также предоставляют большой объем дополнительной информации, таких, как физическое и транспортных собственности профили и конструкции оборудования и операционных данных.

Пример 1: простой debutanizer. Рассмотрим простой debutanizer показано на рисунке 6. Расход и состав профили не отличаются какой-либо значительной степени от результатов, которые вы получили бы при обычных модели стадии равновесия (хотя ряд этапов и местоположение корма этапе было бы иначе). Тем не менее, неравновесных модель может обеспечить значительную дополнительную информацию, например, массовой скорости передачи и предсказать эффективность профилей (рис. 7). Неравновесной модели, следует иметь в виду, не эффективность использования. Маккейб-Тиле диаграмм (9) может быть построена по результатам моделирования неравновесных (рис. 8), и так же полезны для понимания поведения столбца, так и для бинарных дистилляции. Обратите внимание, что треугольники не прикасайтесь к равновесной.

Пример 2: не очень простой поглотителя. Рассмотрим простой упакованы колонке показано на рисунке 9. Богатые аммиака с воздухом смесь поступает на дно, где аммиак поглощается. Энтальпии поглощения выпустили, в результате чего температура жидкости расти. В результате испарения воды. Процесса массопереноса в газовой поэтому включает в себя три вида - аммиака, воды и (в основном, застойной) воздуха. К верхней части колонны, газ встречи холодная вода, поступающая в. Таким образом, водяной пар конденсируется в верхней части колонны, и теперь у нас со-диффузия аммиака и воды через воздух. Мы не должны игнорировать испарения воды на дне и конденсата на верху в анализ. В результате температура профили вдоль колонки показывают выраженный выступ в нижней части (рис. 9).

Максвелла-Стефана подход

Уравнений 2 и 3 включены во все основные массопереноса текстов и руководств химического машиностроения, и учат всех химических инженеров бакалавриата степень инженера-химика. Строго говоря, эти уравнения справедливы только для бинарных систем и в условиях, когда скоростями массопереноса, являются низкими. Большинство промышленных перегонки и поглощения, однако они связаны с более чем 2 различных видов химических веществ.

Самое главное безопасным путем для моделирования переноса массы в многокомпонентных систем является использование Максвелла-Стефана (MS) теории (11-13). На наш взгляд, подход к MS массопереноса должно быть то, что преподается студентам, но редко это делается, даже на университетском уровне, большинство текстов дают практически никакого серьезного внимания к этому вопросу массопереноса в системах с более чем 2 компонентов (за исключением включать в тексты Seader и Хенли (9), Бенитес (14)).

MS уравнения для диффузии в бинарной смеси идеального газа:

, где г ^ 1 ^ к югу является движущей силой для диффузии и ^ ^ к югу я средняя скорость видов I.

Это выражение можно получить, не используя ничего сложнее, чем второй закон Ньютона - сумма сил, действующих на молекулы определенного вида прямо пропорциональна скорости изменения импульса (Ref. 11 обеспечивает более полный вывод). Скорость изменения импульса между различными видами пропорциональна концентрации (мол. доли) отдельных видов и их относительную скорость. В уравнении. 5, [функция] югу ^ 12 ^-коэффициент пропорциональности, и связана с коэффициентом трения. Уравнения. 5 чаще в виде:

где D ^ ^ 12 к югу является диффузия MS коэффициент.

MS уравнений легко распространить на многокомпонентные системы, просто добавляя аналогичных условиях с правой стороны к ответственности за импульс обмен между каждой парой различных типов молекул. Для трехкомпонентной смеси, например, мы имели бы два слагаемых в правой, 1 импульса обмена между молекулами типа 1 и 2, а второй термин для передачи импульса между молекулами типа 1 и 3:

с уравнениями вида 2 и 3 получается поворотом индексов.

Решение уравнений MS может включать различные вычисления матриц и их функции (11). На практике мы чаще всего используют простые модели пленки для масс с простой разностная аппроксимация MS уравнений:

где х ^ ^ к югу я это средняя молярная доля над фильмом. MS коэффициентов массопередачи K ^ ^ т к югу можно оценить из существующих корреляций. Для неидеальных жидкости, движущая сила, связанных с градиентом химического потенциала:

Разностной аппроксимации этого выражения, несколько сложнее, так как мы вынуждены включать производной деятельности (или летучесть) коэффициент (13).

Пример 3: необходимость строгого Максвелла-Стефана-модели на основе неравновесной. Различия в профилях колонке состав предсказывали строгой модели неравновесной, которая включает в MS уравнений могут существенно отличаться от тех, предсказывает модель стадии равновесия. Рассмотрим экспериментальные работы др. Springer и др. (15) на дистилляции воды (1), этанол (2) и ацетона (3) осуществляется в 10-лоток колонки работать на общий отлив. Карта вычетов кривой для этой системы показана на рис 10A. Эта система показывает минимальные бинарные кипения азеотропа между водой и этанолом, почти прямой перегонки граница соединяет азеотропа с чистого ацетона.

Измеряется состав профиля, проводимых в области слева от перегонки границей, показана на рис 10B. Моделирование столбца, начиная с состава пара на колонну сверху, также могут быть показаны. Совершенно очевидно, что неравновесная модель может следовать экспериментально наблюдаемых траекторий колонке гораздо лучше, чем модели равновесия. Различия в траекториях колонке состава из-за различий в эффективности Мерфри компонента (рис. 10c).

Различия в компоненте эффективности могут оказать существенное влияние на колонке дизайн, который направлен на конкретные чистоты на обоих концах колонны. Например, для воды (1), этанол (2) и ацетона (3) система Operat-ING в области слева от перегонки границы, будем требовать чистоты 96% этанола в верхней части колонки. Для заданного состава корма и рефлюкс отношение, в столбце состав траекторий для модели неравновесной и равновесной модели (предполагается, что 60% эффективности для всех компонентов), представлены на рисунке 11. Неравновесных модель предполагает, что 39 этапов, необходимых для достижения указанных 96% этанола чистоты в верхней части, в то время как модель равновесия показывает, что только 25 этапов не требуется. В этом случае неравновесной модели занимает "живописный маршрут", чтобы достичь желаемого верхней чистоты. Не обращая внимания на различия в эффективности компонента может привести к серьезным underdesign.

Колонны, работая рядом дистилляции границы могут возникнуть гораздо более экзотические различия в траекториях колонке состав предсказывали неравновесных и равновесных моделей. Для работы с той же воды, этанола и ацетона системы рис. 12, показывает, что эксперименты через прямой линии границы дистилляции (15), то, что запрещено равновесия модели (16). Неравновесной модели может повторить эту границу пересечения траектории, в то время как модель равновесия остается по одну сторону границы дистилляции. Неравновесных модель предсказывает, что колонна постепенно становится богаче водой, по мере нашего продвижения вниз по колонке reboiler, тогда как модель равновесия предполагает, что столбец получает обогащенный этанола в качестве reboiler приближении. Основной причиной такого поведения лежит на различия в эффективности отдельных видов (рис. 12, б); компонента эффективности этанола значительно отличается от лотка в трей. Сравнение значений компонентов эффективность в цифрах 10C и 12b показывает, что, хотя массовых параметров передачи, используемых в неравновесной модели одинаковы для этих двух трасс, рассчитанных значений эффективности компонентов не имеют никакого сходства друг с другом.

Это подчеркивает сложность пытаются перенять производительности неравновесной модели жульничество значений компонент эффективности. Существует не так, что это может быть достигнуто ..

Другие приложения

Принципов, изложенных выше, применимы к широкому кругу связанных с ними процессов. Ниже мы вкратце рассмотрим некоторые из этих приложений.

Трехфазный дистилляции. Трехфазный дистилляции остается сравнительно мало изучены по сравнению с традиционными операциями перегонки с участием лишь одной жидкой фазы. Моделирование методы используются в настоящее время для трехфазных системах используются модели экономического равновесия этапе (16). Важно уметь правильно предсказать местоположение стадиях, когда второй жидкой фазы могут образовываться (для определения подходящего места для побочный графин, например). Ограниченные экспериментальные данные показывают, что эффективность может быть низкой и крайне непостоянны. Очевидно, что модель, основанная на предположении равновесия на каждом этапе не может предсказать эффективность колонки. Springer и др. (17) напряжение ограничения имитационных моделей при равном эффективности Мерфри для всех компонентов в смеси.

Это простой в принципе расширить идеи, которые лежат в основе неравновесной модели систем с более чем 2 этапа, как показано впервые Лаоса и Тейлор (18). Полная модель неравновесной системы изображен на рисунке 13 содержит три фазы противовесов, каждая из которых содержит условия для массового перевода или обоих из двух других фаз. Кроме того, модель содержит до 6 наборов уравнений MS, два для каждой границе раздела фаз (газ-жидкость I, пар-жидкость II, а также жидких I-II жидкости). Три комплекта уравнений равновесия, по одному для каждой возможной интерфейс, полная модель. На практике это вполне вероятно, что в паровой фазе и дисперсных жидких фаз видеть только непрерывной жидкой фазе, тем самым значительно упростив модель (17).

Пример 4. Гетерогенных азеотропной системы. Иногда кривизны границы дистилляции таков, что его переход в модели стадии равновесия допустимого (16). Это показано на рисунке 14 для воды (1), циклогексана (2) и этанола (3) системы. Для столбца, работающих на общей рефлюкс с верхней составом, соответствующим гетерогенной тройного азеотропа, модель равновесия не испытывает никаких проблем пересечения границы изогнутые перегонки с выпуклой стороне, двигаясь в сторону высоких композиции воды и исходя колонну. Однако экспериментальные данные др. Springer и др. (17) показывают, что границы не перешли на практике, и траектории колонке состав ожидается очень хорошо неравновесной модели.

Реактивной дистилляции. Проектирования и эксплуатации вопросов для реактивных процессов дистилляции значительно сложнее, чем тех, кто либо обычных реакторах или обычных колонны дистилляции. Внедрение на местах разделения функций в зоне реакции приводит к сложным взаимодействием между пар-жидкость равновесия пар-жидкость массопереноса внутри катализатора диффузии (гетерогенно катализатором процессов) и химической кинетики. Для таких систем химической реакции влияет на эффективность до такой степени, что понятие теряет смысл (19).

Строительство неравновесной модели реактивного процесса разделения не так прост, как создание модели экономического равновесия этап, на котором мы просто добавить срок для учета реакции на остатки жидкой фазы материала. Следует признать, что ни одна модель неравновесной помогает справиться с любым возможным ситуациям. Отдельные модели необходимы в зависимости от реакции происходит в течение только жидкой фазы или твердой фазе присутствует катализировать реакцию. Обратитесь к работам. 16, 19 и 20 для дальнейшего обсуждения.

Газ поглощения. Повышение эффективности в газовой поглощения, как правило, гораздо ниже, чем в перегонки, иногда на уровне 5%. Кроме того, многие важные процессы поглощения газа связаны химических реакций. Это не похоже, большой смысл использовать модель равновесия этапе для систем, столь далекие от равновесия. В самом деле, несмотря на стадии равновесия модели для таких систем используются уже давно чаще использовать массообмена курса моделей на основе разработки процессов поглощения газа (21). Неравновесная модели применяются более или менее неизменной в принципе поглощения газа (с или без реакции). Единственное различие между моделями являются включение различных групп моделей кинетики реакций и термодинамические свойства. Многие процессы поглощения связаны разбавленных смесей, а норма отношений в выражениях. 2 и 3 достаточно (последнее изменение за счет включения в коэффициент усиления для учета каких-либо химических реакций в жидкой фазе). Модели такого рода были использованы с некоторым успехом в модельном аминов на газ лечения процессов (22) ..

Динамика ректификационной колонны. Одним из ключевых моментов данной статьи является то, что неравновесные модели следует использовать, когда эффективность неизвестны, не может быть достоверно предсказать, и низкие, и / или крайне непостоянны. Эффективность любого процесса сильно зависят от свойств смеси, или нет химических реакций, и (последнее, но не в последнюю очередь по важности) типа столбца, используемые, как она работает. Если столбец не в устойчивом состоянии, то эффективность со временем меняться вследствие изменения Расходы, приведенные и состава. Таким образом, равновесие этапе модели с КПД не должен быть использован для моделирования динамического поведения перегонки и поглощения столбцов. Неравновесных моделей для колонки динамики описаны в работах. 23-25.

Неравновесная модель клетки. Вопрос, который не получает надлежащего внимания большинства моделей является то, что пара и жидкости картины течения на перегонки лотки или неравномерного распределения в насадочных колонн. Так как скорость реакции и константы химического равновесия в зависимости от местных концентраций и температур, они могут измениться по проточной жидкости на лоток, или из стороны в сторону в упакованном колонке. Для таких систем распределения времени пребывания может быть очень важным.

Чтобы справиться с этим недостатком предыдущих моделей, моделей неравновесных ячейки были разработаны (26-28). DIS-Отличительной особенностью этой модели является то, что этапы делятся на число контактирующих клеток (рис. 15). Эти клетки описать только небольшую часть лотка или упаковки, и, выбрав подходящий набор клеточных соединений, то можно очень легко изучить влияние режимов течения на процесс дистилляции.

Поток узоры на перегонки лотки моделируются выбрав соответствующее количество ячеек в каждом направлении потока. Столбца ячеек можно моделировать вытеснения в газовой фазе, и несколько столбцов ячеек, можно моделировать вытеснения в жидкой фазе, как показано на рисунке 15. Backmixing могут быть приняты во внимание, используя соответствующее количество клеток. Поток моделей в упакованном колонки вычисляется с помощью модели проточной ячейки (27).

Наличие программного обеспечения

AspenTech развитых RateFrac в сотрудничестве с Кох-Engineering, Inc Эта реализация во многом основывается на неравновесной модели, описанной в оригинальных работах по Кришнамурти и Тейлор (29, 30), с той важной дополнительных возможностей, которое позволяет обрабатывать системах с химическими реакциями . Влияние реакции на массообмен моделируется с помощью усиления факторов. RateFrac имеет один коэффициент массоотдачи модели для каждого типа столбца внутреннего, но она имеет возможности для добавления пользовательских моделей для расчета коэффициентов переноса, перепада давления и межфазные области. RateFrac можете использовать любой из термодинамических пакеты, которые существуют в AspenPlus, и могут модель колонны с sidestreams, межстадиала нагреватели / охладители и pumparounds. Комплекс характеристики могут предназначенных для чистоты продукта или внутренние потоки. RateFrac особенно полезно для моделирования колонн с химическими реакциями, которые влияют на разделение. Иллюстрации применения RateFrac описаны в Seader и Хенли (9).

ChemCAD от Chemstations, Inc (<a target="_blank" href="http://www.chemsta-tions.net" rel="nofollow"> www.chemsta-tions.net </ A>) содержит неравновесных модель для стационарного и динамического моделирования.

ChemSep (31) включает в себя некоторые из самых последних событиях в неравновесных моделей. Многие соотношения для коэффициентов массопередачи, поверхности раздела и поток модели встроены в ChemSep. Он также содержит различные термодинамические и физические модели собственности. ChemSep также можем предоставить детальное проектирование оборудования, выбранного для моделирования. Это позволяет программе имитировать колонны для предварительного целей дизайна. Она имеет ограниченное библиотеку компонентов, но позволяет пользователю добавлять компоненты данных менеджера. ChemSep доступен через кэш-памяти (<a target="_blank" href="http://www.cache.org" rel="nofollow"> www.cache.org </ A>) для образовательных нужд. Применение ChemSep рассматриваются в работах. 9, 14, 31. Для получения дополнительной информации посетите <a target="_blank" href="http://www.chemsep.org" rel="nofollow"> www.chemsep.org </ A>.

Многие другие модели были выполнены в основном для исследовательских целей и не доступны для других.

Заключение

За последние два десятилетия, новый способ моделирования операций многокомпонентной дистилляции достиг совершеннолетия. Эти неравновесные, или норму основе моделей отказаться от мысли, что пара и жидкости потоков в ректификационной колонны всегда находятся в равновесии друг с другом. Идея моделирования дистилляции, как массообмена курса основе операции не новое. Уравнений 2 и 3 (хотя и в разных единицах) на самом деле появятся в классической работе Е. В. Мерфри (2), которые познакомили нас с эффективностью. Мерфри пошли так далеко, чтобы сказать: "использование общей массы [передачи] уравнения в исправлении колонке проблемы вызовет расчеты стали очень активно, и поэтому не представляется возможным по практическим соображениям". В настоящее время такие расчеты не только возможно, Есть обстоятельства, при которых они должны рассматриваться как обязательная.

Конечно, модели, основанные на концепции равновесия этапе не будет забыт, и нет никакой необходимости для нас сделать это. Для разработки новых столбцов, в которых столбец конфигурация не является фиксированной, то лучше начать с модели равновесия для определения конфигурации, оптимальной рефлюкс и т.д. (16). Окончательный дизайн должен быть проверен на предмет неравновесной модели, поскольку, как мы видели, это возможно для предсказания неравновесной модели значительно отличаются от равновесной модели.

Неравновесная модели имеют большое значение при моделировании существующих столбцов. Оно уже не надо угадать число равновесия этапах, расположение канала и любого промежуточного продукта потоков и повышения эффективности отдельных компонентов, с тем чтобы попытаться модели столбца, который не выполняет должным образом.

Реактивной дистилляции новых приложение, которое вводит дополнительные сложности. Здесь не редкость, чтобы считать равновесия в связи с массовой передачи, но и позволяет для конечных скоростей реакции. Это хорошо для концептуального проектирования. Но для калибровки оборудования, задача определения столбца высоты остается. Для реактивной дистилляции, HETPs и эффективности не имеют физического смысла, поскольку это также зависит от реакции.

Строгие модели неравновесных необходимо использовать уравнения MS правильно описать массопереноса в многокомпонентных систем. Эти уравнения имеют, по сути, с нами гораздо дольше, чем это модели экономического равновесия этапе (см. 11. Оригинальных цитат). Применения уравнений MS к моделированию переноса массы в дистилляции, также не все, что недавно. Льюис и Чжан (32), в удивительно пророческим бумаги, что, как представляется, в значительной степени игнорировались, используемых MS уравнений для исследования механизма исправления. Они писали: "инженеров в целом не знакомы с ними" - ситуация, которая продолжается до относительно недавнего времени. Дело не только в MS уравнения позволяют модели массопереноса в обычных операций, таких как дистилляция, поглощения и добычи, они также описать транспорта во многих менее распространенных процессов разделения, например, мембранных процессов. В самом деле, формулировка MS массопереноса обеспечивает рациональную основу для унификации обработки процессов разделения (33).

ЛИТЕРАТУРА

1. Seader, JD, "до нашей эры (до компьютеров) и Д. равновесия-Stage операций", Chem. Eng. Обр., 19 (2), с. 88-103 (весна 1985).

2. Мерфри Е.В., "Устранение Колонка Расчеты с заострением внимания на п-компонента смеси", штат Индиана Eng. Chem., 17, с. 747-750 (1925).

3. Кистер, HZ, "Перегонка Дизайн", McGraw-Hill, Нью-Йорк (1992).

4. Локетт, МЮ, "Основы дистилляции Лоток", Cambridge University Press, Cambridge, MA (1986).

5. Стандартный Г., дистилляции. Обобщенные В. Определение теоретической тарелке или Этап Связаться оборудование, "Хим. Eng. Sci., 20, с. 611-622 (1965).

6. Seader, JD, "Рейтинг подхода для моделирования Постановка увольнений," Хим. Eng. Prog., 85, с. 41-49 (1989).

7. Полинг, BE, и др.., "Свойства газов и жидкостей", пятое издание, McGraw-Hill, Нью-Йорк (2001).

8. Тейлор Р., и др.. ", Вторая модель Неравновесная поколения для компьютерного моделирования многокомпонентных процессов разделения", вычи. Химреагент Eng., 18, с. 205-217 (1994).

9. Seader, JD, и EJ Хенли, "Разделение процесса принципы", John Wiley, New York, NY (1998).

10. Treybal, RE, "Масс-транспортных операций", третье издание, McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (1980).

11. Тейлор Р., Р. Кришна "Передача многокомпонентных Масса," John Wiley, New York, NY (1993).

12. Кришна, Р. и А. Wesselingh ", Максвелла-Стефана подход к массообмена" Chem. Eng. Sci., 52, с. 861-911 (1997).

13. Wesselingh, JA, Р. Кришны "массообмена в многокомпонентных смесей", Делфт University Press, Делфте (2000).

14. Бенитес, J., "Принципы и применения современных массовых операций передачи", John Wiley, New York, NY (2002).

15. Springer, PAM и др.. ", Пересечение границы дистилляции в однородных азеотропной дистилляции: Влияние межфазных массопереноса", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 41, с. 1621-1631 (2002).

16. Doherty, МП, МП Мэлоун, "Концептуальное проектирование перегонки Systems," McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (2001).

17. Springer, PAM и др.. "Состав Траектории гетерогенных азеотропной дистилляции в колонке лоток пузыря капитализации: Влияние массообмена" Chem. Eng. Рез. Des., 81, с. 413-426 (2003).

18. Лао, З. и Р. Тейлор, "Моделирование массопереноса в три этапа перегонки", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 33, с. 2637-2650 (1994).

19. Тейлор Р., Р. Кришны, "Моделирование реактивной дистилляции," Хим. Eng. Sci., 55, с. 5183-5229 (2000).

20. Sundmacher, К. и А. Кини, "Реактивная дистилляции. Состояние и перспективные направления", Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Германия (2003).

21. Cornelisse, Р. и др. /. ", Численного расчета одновременной передачи масса двух газов сопровождается сложными обратимых реакций," Хим. Eng. Sci., 35, с. 1245-1260 (1980).

22. Пачеко, MA, и GT-Рошель, "Скорость Моделирование на основе реактивного поглощения СО2 и H ^ 2 ^ к югу S в водных Метилдиэтаноламин", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 37, с. 4107-4117 (1998).

23. Kooijman, HA, Р. Тейлор, "Неравновесная модель динамическое моделирование лоток Перегонка-Столбцы", Айше Journal, 41, с. 1852-1863 (1995).

24. Baur, Р. и др. /., "Динамические Поведение реактивного Столбцы дистилляции описываются моделью Этап Неравновесная," Хим. Eng. Sci., 56, с. 2085-2102 (2001).

25. Gunaseelan П., PC Wankat, "Переходный давления и расхода Прогнозы для концентрированных Упакованные Амортизаторы с помощью динамической модели неравновесных", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 41, с. 5775-5788 (2002).

26. Хиглер, А. и др. /., "Неравновесная модель клетки для многокомпонентных (Reactive) процессы разделения," Айше Journal, 45, с. 2357-2370 (1999).

27. Хиглер, и др.., "Неравновесная модель клетки для насадочных колонн дистилляции - Влияние неравномерного распределения", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 38, с. 3988-3999 (1999).

28. Baur, Р. и др. /., "Динамические поведение реактивной дистилляции Описанные лоток Колонны с Неравновесная модель клетки," Хим. Eng. Sci., 56, с. 1721-1729 (2001).

29. Кришнамурти, Р., Р. Тейлор, "Модель Неравновесная Этап процессов разделения многокомпонентных. Часть 1: Модель Описание и метод решения", Айше Journal, 31, с. 449-456 (1985).

30. Кришнамурти, Р., Р. Тейлор, "Модель Неравновесная Этап процессов разделения многокомпонентных. Часть III: Влияние неравной повышение эффективности компонентов в задачах проектирования," Айше Journal, 31, с. 1973-1985 (1985).

31. Kooijman, HA, Р. Тейлор, "ChemSep книга" Книги по требованию, Norderstedt, Германия (2001).

32. Льюис, WK и KC Chang ", дистилляции. III. Механизма выпрямления," Trans. Am. Текущего месяца Химреагент Eng., 21, с. 127-138 (1928).

33. Кришна Р., "Единая теория разделения процессов на основе термодинамики необратимых процессов", Chem, Eng. Commun., 59, pp.33-64 (1987).

Росс TAYLOR,

Clarkson University и Университета TWENTE

RAJAMANI Кришна,

Амстердамский университет

ГАРРИ KOOIJMAN,

Shell Global Solutions International

ROSS Тейлор Kodak, почетный профессор химико-технологического факультета Clarkson Univ. в Потсдаме, в Нью-Йорке (<a href="mailto:taylor@clarkson.edu"> taylor@clarkson.edu </ A>), где он был с 1980 года. В настоящее время он служит в качестве председателя кафедры химического машиностроения. Он получил докторскую степень в Univ. "Манчестер Института науки и техники в Англии. Его исследовательские интересы лежат в области разделения процесса моделирования многокомпонентных массопереноса, термодинамики и разработки приложений компьютерной алгебры для технологического оборудования (и картографии). Соавтор (с Кришной) учебника "Многокомпонентные массообмена" (М., 1993). Он также имеет совместное назначение в качестве профессора Реактивная Цветоделение на факультете химической технологии в Univ. Твенте в Нидерландах, а также является членом правления корпорации CACHE

Р. Кришна professorat Univ. Амстердам (<a href="mailto:krishna@science.uva.nl"> krishna@science.uva.nl </ A>). Он окончил в области химического машиностроения Univ. Бомбея и получил степень доктора в 1975 г. Изд. Манчестера. Затем он присоединился к Королевской голландской Shell лаборатории в Амстердаме, где он был занят в области исследований, разработки и проектирования разделения оборудованием и реактивами. После девяти лет производственного опыта, он вернулся в Индию, чтобы взять на себя Дирекция Индийского института нефти. С 1990 года он занимает должность профессора химического реактора инженерии в Univ. Амстердама. В настоящее время его научные интересы варьируются от молекулярного моделирования, пузырь и динамики частиц, а также реактора расширения до процесса синтеза. Кришна является соавтором трех учебников. Его вклад исследования снискали ему Конрад Premie Королевского голландского Института инженеров в 1981 году и Akzo-Нобелевской премии в 1997 году.

ГАРРИ KOOIJMAN является специалистом исследований дистилляции в лаборатории Амстердамского Shell Global Solutions International BV, Нидерланды (<a href="mailto:kooijman@chemsep.org"> kooijman@chemsep.org </ A>). Окончил Делфт Univ. Технологии и получил докторскую степень в 1995 году из Clarkson Univ. Он вступил в BOC Group в 1996 году в качестве старшего инженера исследований, в которых он принимал участие в разработке упаковки для структурированных криогенных дистилляции. В 1999 году он переехал в Германию, где он работал в научных вычислительных качестве консультанта в области высокопроизводительных вычислений. Он вступил в Shell Global Solutions в 2002 году, где он специализируется на разработке технологии дистилляции лоток и разделение оборудования.