Поиск и устранение неисправностей дистилляции моделирование
Инструмент под названием азеотропа анализ чувствительности давления (APSA) может пролить свет на зависимость состава азеотропа и температуры на изменение давления.
Строгие, крепкая и надежная термодинамические модели имеют решающее значение LOR синтеза и проектирования систем разделения азеотропной смеси. Неправильное предсказание азеотропов часто приводит к невозможным последовательности разделения.
Несмотря на значительный прогресс при моделировании физических и химического равновесия было сделано, не существует универсальной модели, которая может быть использована для любых смеси в любых условиях без корректировки различных эмпирических параметров. Кроме того, поскольку мы часто пренебрегают некоторые термины, которые мы считаем незначительными строгой термодинамической модели, регулируемые эмпирических параметров должны учитывать не только то, что они должны были описать (например, взаимодействие между молекулами в жидкой фазе), но и все эффекты, которые было пренебречь (I). Это делает модели менее предсказуемы, и их экстраполяции на многокомпонентных смесей под вопросом. Даже если модель предсказания для всех бинарных пар согласуются с экспериментальными vaporliquid равновесия (VLE) данные, мы должны проверить поведение, то вся смесь перед использованием термодинамических пакет для строгого моделирования.
Несколько прекрасных инструментов в последнее время был разработан для отбора, проверки и устранения неполадок термодинамических моделей. Фазовые диаграммы, карты остаток кривой (РКМ) и дистилляции области диаграммы (DRDs) имеют неоценимое значение для этой цели из-за их возможности визуализации. Тем не менее, они ограничиваются тройных и четверных смесей.
Есть такие ограничения для азеотропа анализ чувствительности давления (APSA), где температура и диаграмм состав бифуркации могут быть созданы для смесей из любого числа компонентов. Так как давление меняется от этапа к этапу в ректификационные колонны, APSA является отличным новый инструмент для быстрой проверки модели и устранения неисправностей в реальном, неизобарических колонны дистилляции. Это качественно показывает изменения в разделении пространства, которые трудно найти использовании РКК или DRD.
В данной статье описывается с помощью нескольких тематических исследований, наиболее часто встречающихся проблем моделирования при моделировании неизобарических колонны азеотропной дистилляции, и применяет новые устранения неполадок на этих моделях.
Обзор инструментов
Форма разделения пространства, в том числе дистилляции границ, дистилляции регионов и азеотропов (особых точек карты), можно легко рассмотреть по РКМ (2). Визуальный анализ структуры РКС дает ценную информацию о лежащие в основе термодинамики, делая РКМ полезным для скрининга бинарных VLE параметров на основе баз данных альтернативных стратегий и регрессии (3). Потому что РКМ изобразить VLE поведения в тройном пространства состава, они могут быть более актуальным, чем бинарные фазовые диаграммы в оценке обоснованности различных наборов параметров для перегонки моделирования.
Номер 3 приведены примеры устранения неполадок фазовых равновесий, которые включают в себя использование данных вне их предполагаемого диапазона, используя VLE вместо пар-жидкость-жидкость равновесия (VLLE) расчетов с использованием наборов параметров, оптимизированных для различных целей регрессии и выбрать подходящую модель для паровой фазы . Номер 4 приведены примеры использования РКМ и VLLE диаграмм для выбора соответствующей термодинамической модели и проверки параметров взаимодействия, а также в Rel. 5 и 6 объяснить, как эти методы могут применяться в устранении неполадок ректификационные колонны. Удобно. РКМ теперь может быть легко создан с помощью коммерческой моделирование процесса синтеза или программного обеспечения. Кроме того, в отдельных точках карты могут быть вычислены для любого числа компонентов, а также использоваться для проверки модели фазового равновесия.
Азеотропов определить перегонки и ректификации регионов границ. Поэтому знания о температурах и составы всех азеотропов в смеси при заданном давлении имеет решающее значение как для проектирования и эксплуатации системы дистилляции. Расчет их осложняется сильными нелинейностями, возникающих в VLLE и наличие нескольких решений, как реальных, так и ложные.
Можно попытаться найти все решения с помощью нелинейного решателя несколько отправных точек. Однако даже при крайней усилия расчета, такой подход не гарантирует, что все азеотропов будут найдены. Несколько методов было предложено решить эту проблему, например, Левенберга-Marquardt алгоритм (7), интервальный метод Ньютона (8), глобальный метод оптимизации (9) и т.д.
Наиболее надежным и надежного метода для расчета всех азеотропов в однородную смесь была предложена Fidkowski и др.. (10), а затем обобщается и гетерогенных жидкостей (11). Этот метод в сочетании с продолжением длины дуги и тщательного анализа устойчивости
В реальном мире, эксплуатация не является статичным. Изменения качества продукции и количества часто требуют операции при различных давлениях. Даже тогда, когда работают сегодня почти в стационарном состоянии, много столбцов характерны значительные градиенты давления между дистиллята и ягодицы. Таким образом, важно понять, давление чувствительность азеотропов в смеси.
Когда верхний и нижний пределы давления не указаны, анализ может быть запущен с 1 давление ограничить, а затем азеотропного состава могут быть рассчитаны для постепенного увеличения или уменьшения давления. Эта простая процедура parametercontinuation можете следить за любыми известными азеотропа. Тем не менее, он не может найти новую азеотропов, которые возникают как изменения давления.
В качестве альтернативы можно применять строгие процедуры расчета азеотропа на каждом интервале давлений. Такой подход, однако, было бы чрезвычайно большого объема вычислений и времени.
Для преодоления этих трудностей, мы разработали новый метод анализа чувствительности азеотропа давления (APSA), что показывает, как составы и температуры азеотропов изменения давления. Он применяется в теории ветвления с продолжением длина дуги для выполнения расчетов (13). Это позволяет не только следить отдельных азеотропов хижину и найти новых азеотропа, что указана в соответствующем интервале давлений. Таким образом, все бифуркации давления, где азеотропов появиться или исчезнуть, может быть найдено. Расчет времени, необходимого для всего анализа чувствительности давления похож на время, необходимое для продолжения гомотопически метод, чтобы найти все азеотропов в одной давления.
Чувствительность к давлению азеотропов открывает новые возможности в дизайне азеотропной дистилляции последовательности. Увеличение или уменьшение рабочего давления в отдельных столбцах изменения состава азеотропов и позиции дистилляции границ, и даже может вызвать их появление или исчезновение. Это может оказать огромное влияние на топологию РКК и целесообразности дистилляции последовательностей.
APSA показывает возможности для давления качели дистилляции и тепла интеграции между стойками в определенной последовательности. Давление-качели дистилляции часто может быть привлекательной альтернативой для взлома однородных азеотропов, а иногда может значительно упростить сложные системы разделения.
Давление чувствительности информация также может играть важную роль в разработке и устранения неисправностей в реальном колонны дистилляции, особенно там, где существует значительный перепад давления в колонне. В некоторых случаях это может привести к коммутатору в топологии дистилляции регионов внутри колонны и вызвать серьезные проблемы в конвергенции тренажеров в стационарном и динамическом режимах.
Поиск и устранение неисправностей неизобарических добывающей дистилляции
Рассмотрим типичную проблему разделения. Смесь содержит в основном компонентов и W должны быть разделены. Существует бинарных азеотропа между компонентами и В. С азеотропа не чувствителен к изменению давления (табл. 1), entrainer, C, была выбрана для отдельных бинарной смеси в добывающей последовательность перегонки две ректификационные колонны (рис. 1) . Первая колонка была создана при постоянном давлении 150 кПа и конвергентных быстро желаемых результатов: высокой чистоты и бинарной смеси W и C. Тогда падение давления в колонне было принято во внимание. На этот раз требуется высокое извлечение компонентов в нижней части колонны не достигается даже при крайней рефлюкс и большое количество этапов.
Для трех основных компонентов (В. В и С). диаграмм дистилляции регионе были созданы три выбранных давление с целью изучить 3-космический компонент для азеотропов и дистилляции границы, как показано на рисунке 2. Изучив DRDs. можно легко сделать вывод, что невозможно достичь полного восстановления компонент в нижней произведение первого столбца на 50 кПа, из-за присутствия дистилляции границы на это давление. Но в нашем случае моделирования, давление в верхней части колонки не падает, а низкие - он всегда остается выше 100 кПа. Для устранения этого дела дальше, мы будем использовать APSA.
Азеотропнаяя давления анализ чувствительности
Чувствительность azeotropcs изменения давления был известен и изучен течение многих лет. Величина давления эффектов зависит от смеси. Иногда композиции азеотропов изменяются мало (например, ethanolwater азеотропа (13)). Тем не менее, Есть смесей составов некоторых азеотропов быстро меняется с давлением и даже азеотропов, которые появляются или исчезают, как давление изменяется.
Кнапп (14) было введено понятие бифуркации давления, где азеотропа появляется или исчезает, и показал, необходимые условия для однородных бинарных азеотропа в раздваиваться. Азеотропа существует с одной стороны давление бифуркации и касательной ущипнул нефтевоз стороны. Поскольку давление, увеличивается или уменьшается от бифуркации давления, тяжесть касательной уменьшается шнура. Таким образом, ректификационной колонны не должна действовать вблизи бифуркации давления.
В реальной колонны дистилляции, давление меняется от этапа к этапу. Это может привести к коммутатору в топологии дистилляции регионов и привести к серьезным проблемам как в реальной эксплуатации и сходимости расчетов для тренажеров в стационарных и динамических режимах. В таких случаях, информация о бифуркации давления могут быть чрезвычайно полезны в устранении неполадок как для тренажеров и реальных действий.
Метод APSA (15) основан на теории бифуркации вместе с продолжением дуги длины. Метод находит все бифуркации давления в заданных пределах давления и позволяет не только следить отдельных азеотропов. но и эффективно найти азеотропа, которая появляется в диапазоне давлений. (Более подробную информацию можно получить в работе. 13.) Настоящая статья применяется инструмент APSA создавать различные бифуркационные диаграммы, которые являются чрезвычайно полезным при устранении азеотропных колонны дистилляции.
Анализ чувствительности давления azeotropcs начинается с ответвлением для каждого чистого компонента и каждый азеотропа нашли на 50 кПа. Каждая отрасль следует и постоянно проверяются на новых бифуркаций от 50 до 150 кПа или до филиала исчезает. Соответствующих отраслей гомотопических продолжение показаны на рисунке 3. Температура отраслей на рисунке 4. и состав отрасли на рисунке 5.
Бинарных азеотропа WA не чувствителен к изменению давления (см. также таблицу). С другой стороны, туалет и WAC азеотропов очень чувствительным к давлению и существуют только в узком диапазоне давления (WAC между 89 и 127 кПа, туалет только в непосредственной близости от 127 кПа). Есть две точки бифуркации, где WAC отрасли падает: один на отделение WA (на 112 кПа). другой на отделении туалет (на 127 кПа). Существует также точка поворота на отделение WAC на 89 кПа.
Обратите внимание, насколько больше информации APSA обеспечивает по сравнению с DKU диаграмм, созданных для нескольких выбранных давлениях (рис. 2). DRDs подтверждают существование только один азеотропа. WA. Бинарных азеотропа туалет существует только в очень узком интервале давлений (рис. 4 и рис 5) и практически не виден, как гомотопические продолжение отрасли туалет только на рисунке 3. Тройных WAC азеотропа не был найден алгоритм поиска азеотропа (100 кПа DRD на рисунке 2), потому что гомотопический метод, используемый в алгоритме не может найти isolas - то есть. продолжение пути не подключен к гомотопической отрасли, которая начинается с чистого компонента (10). Модель предсказывает, на самом деле две WAC азеотропов в KH) кПа (рис. 5) - 1, что является седлом, а другой, что является неустойчивым узлом. Потому что два азеотропов были упущены, и их вклад компенсируют друг друга, последовательности проверка выполняются и нет никаких предупреждений при создании DRD на 100 кПа.
Устранение неполадок при перегонке циклогексанона-циклогексанона-фенола
Еще одна проблема при моделировании ректификационные колонны сообщили в смесь циклогексанона (CC6one), циклогексанона (CC6ol) и фенола. APSA был применен в смесь, чтобы проверить точность предсказаний 2 VLE моделей во всем диапазоне давлений промышленный интерес. NRTL (неслучайной 2-жидкость) модель предсказывает существование тройных максимальной температурой кипения азеотропа в широком диапазоне давлений (только немного чувствительные к давлению), тогда как модель Уилсон предсказывает существование тройных азеотропа седло только в очень узком диапазоне давлений (чрезвычайно чувствительны к давлению).
По этой тройной системы, как известно из измерений (16), что:
* Существует максимального кипения азеотропа в двоичной системе CC6one-фенола между 8,00 и 101,32 РПА
* Существует максимального кипения азеотропа в двоичной системе CC6ol-фенола между 9,33 и 101,32 кПа
* 3-компонентная система не образует тройного азеотропа на 12,00 кПа.
Перегонка области диаграммы Tor смеси приведены на рис 6 для нескольких выбранных давлениях. VLE расчеты были основаны на модели Уилсона. Двоичные параметры взаимодействия были взяты из работы 17.
Модель Уилсона не предсказывает существования тройного азеотропа на 5 РПА и 15 кПа. Существует, однако, очень узком интервале давлений, когда тройного азеотропа существует. Temperalures всех азеотропов настолько близко, что любое малое изменение давления может изменить их тип и структура DRD. На 5 кПа, азеотропа CC6olphenol является устойчивым узлом и CC6one-фенола азеотропа является седлом, а при 15 кПа CC6ol-фенола азеотропа это седло и CC6one-фенола азеотропа является устойчивым узлом.
Гомотопический метод продолжения (II) была использована, чтобы найти все азеотропов в частности давления. Топологических консистенции проверяется с помощью топологических ограничений (10, 18) и все схемы представлены топологически последовательным. Если топологическое ограничение не выполняется, то одна или несколько азеотропов отсутствуют или их свойства были оценены неправильно. Тем не менее, выполнение топологических ограничений не гарантирует, что все азеотропов были найдены или свойств системы были определены правильно. Топологических ограничений является необходимым, но не достаточное условие для последовательности в азеотропа расчеты (11).
APSA проводилось для смеси между 5 кПа и 15 кПа. Филиалы решений приведены в диаграмме состав бифуркации (рис. 7). В этом диапазоне давлений 2 точках бифуркации были найдены, как показано в таблице 2:
* Б. на 8,26 кПа. где тройной CC6one-CC6ol-фенола отделение от раздвоения CC6one-фенола отрасли, а CC6one-фенола азеотропа изменения типа из седла в устойчивый узел
* B2 на 10,94 кПа. где тройной CCoone-CCfiol-фенола отрасли падает на CC6ol-фенола отрасли, а CC6ol-фенола азеотропа изменения типа со "стабильного" узел седло.
Оба бинарных азеотропов мало чувствительны к изменению давления. С другой стороны, тройного азеотропа (седло) является чрезвычайно чувствительным к давлению и существует только в очень узком диапазоне давлений между двумя нажатиями бифуркации 8,26 и 10,94 кПа. Эксперименты показали, что 3-компонентная система не образует тройного азеотропа на 12,00 кПа (16)). Это хорошо согласуется с предсказаниями модели Уилсона. Новые эксперименты необходимы в диапазоне давлений от 2 бифуркации давления для проверки модели прогнозов. Он должен он подчеркнул, что здесь, в отличие от стабильных и нестабильных азеотропов, это гораздо сложнее, экспериментально подтверждено существование седловой азеотропа.
Перегонка области диаграммы для смеси рассчитывается на основе модели NRTL представлены на рисунке 8 на те же трудности, для модели Уилсона. Двоичные параметры взаимодействия были взяты из работы. 17. NRTL модель предсказывает существование тройных максимальной температурой кипения азеотропа для всех этих давлений. Даже в более широком диапазоне давлений 1-100 кПа, все три азеотропов (2 бинарных седел и один тройной максимальной температурой кипения) существуют и не меняют своего типа.
APSA проводилось для смеси в диапазоне давлений 1-100 кПа. Филиалы решений предсказывает модель NRTL приведены в состав треугольника на рисунке 9. Нет бифуркации давления не обнаружено. В этом случае бинарных CC6ol-фенола азеотропа является наиболее чувствительным к давлению, а тройной максимальной Хой-лин CCC6one CC6ol-фенола азеотропа является наименее чувствительным. Это противоречит предсказаниям модели Уилсона (рис. 7).
Исполнительский равновесия hoih и азеотропные расчеты для этой тройной системы является сложной задачей. 2 модели дают качественно различные предсказания для тройных CC6one-CC6ol-фенола азеотропа: чрезвычайно чувствительные к давлению седла азеотропа в очень узком диапазоне давлений в модели Уилсона и умеренно чувствительные к давлению максимальной температурой кипения азеотропа в широком давления Диапазон моделей NRTL. В то же время, бинарных азеотропов прогнозам одинаково хорошо на обеих моделях, и в соответствии с бинарной экспериментальными данными.
Дополнительные эксперименты для тройной системы необходимы, особенно в (он диапазоне давлений между бифуркации давления (8,26 и 10,94 РПА), чтобы мы могли принять или отклонить прогнозы Уилсон модели. На основании только один имеющиеся экспериментальные данные указывают на тройных смеси в 12.00 кПа (16), можно заключить что модель NRTL должны быть исправлены (лучше параметры взаимодействия должны быть регресс). Как правило, если модель будет отражать реальность, параметры взаимодействия должны быть регрессии для модели на основе экспериментальных данных, охватывающих определенный диапазон давления интересов. В этом случае особое внимание необходимо для давления насыщенных корреляции для чистых компонентов (f.tf.. уравнения Антуана). С CC6ol и CC6one дуги близко температурой кипения компонентов, небольшие неточности в прогнозировании насыщенного давление может привести к значительным изменениям в структуре Дрю.
Закрытие мысли
Очень важно выбрать правильную модель термодинамических и тщательно проверить поведение смеси для определенного набора компонентов до того, как попытка имитировать ректификационной колонны. DRDs чрезвычайно полезны для такой проверки из-за их возможности визуализации. Они, однако, ограничивается тройных и четверных смесей. Есть такие ограничения для APSA, которая предусматривает расчет бифуркации давления и температуры и создания диаграмм состав бифуркации для любых чисел ол компонентов. Это дает отличный инструмент для дизайна, так и неисправностей в реальном колонны дистилляции.
Крайняя чувствительность азеотропов для изменения давления в примеры, рассмотренные здесь был обнаружен в нескольких системах перегонки, особенно когда рядом температурой кипения компонентов присутствовали. Если болезнь обнаружена, это крайняя чувствительность должно привести в более тщательном изучении ол tliermodynamic модели (применимость, параметры) и, возможно, некоторых дополнительных измерений VLE. По крайней мере, это следует обратить внимание на ситуацию, определенный диапазон давления можно избежать, как в проектировании и эксплуатации ректификационной колонны.
Изменения качества продукции и количества часто требуют операции ол колонны дистилляции при различных давлениях. Даже при эксплуатации в условиях почти стационарном много столбцов характерны значительные градиенты давления между дистиллята и ягодицы. В некоторых случаях это может привести к коммутатору в топологии дистилляции регионов и вызвать серьезные проблемы в сходимости расчетов для стационарных и динамических тренажеров.
APSA дает представление о зависимости состава азеотропа и температурах от изменения давления. Эта информация может иметь решающее значение в разработке и неисправностей в системах дистилляции. APSA он также может использоваться для проверки пригодности и точности VLE моделей во всем диапазоне давлений, если система, как известно, особенно азеотропов в частности давления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ajjraval. Р. и др. /., "Раскрытие Реалии моделирование (Париж-I и 2)". Химреагент Eng. Progree, 97 (5), с. 42-52 и 97 (6). с. 64-72 (май и июнь. 2001).
2. Doherty, М. К и МК Мэлоун, "Концептуальное проектирование перегонки Systems," McGraw-Hill. New York, NY (2001).
3. Вильерс, WE, и др.. ", Перейдите фазовых равновесий с помощью Карты вычетов кривой". Химреагент Eng. "Прогресс". 98 (11). с. 66-71 (ноябрь 2002).
4. Wasylkiewicz, SK, и HK Shethna ", VLK Оценка данных для синтеза Разделение системы для азеотропной смеси". Айше Весна Национального собрания, документ № 4e. Новый Орлеан. I.A (март 2002).
5. Wasylkiewice, СК "Диаграммы Trouhleshoot уксусной кислоты Обезвоживание моделирование". в "Перегонка проблем", по Кистер. H. З.. Wiley. Hoboken. Нью-Джерси (2006).
6. Wasylkiewicz, SK, "Моделирование тройной смеси Использование двоичных параметров взаимодействия". в "Перегонка Trouhleshooting". гип Кистер. H. З. М.: Мир, Хобокен, штат Нью-Джерси (2006).
7. Чепмен, Р. и С. П. Гудвин ", общий алгоритм расчета азеотропов в смесях жидкостей", жидкостей фазовых равновесий, 85, с. 55-64 (1993).
8. Майер, RW, и др.., "Надежный Вычислительная однородных азеотропами" Айше J., 44, с. 1745-1755 (1998).
9. Хардинг, ST и др.. ", Чтобы найти все однородных азеотропов в Multicomponenl смесей". Eng штат Индиана. Химреагент Рез., 36, с. 160-178 (1997).
10. Fidkowski, Z, T., и др.., "Вычисление азеотропов в Multicomponenl смесей". Вычи. Химреагент инж., 17, с. 1141-1155 (1993).
11. Wasylkicwicz, С. К. и др.., "Вычисление всех гомогенных и гетерогенных азеотропов в Multicomponenl смесей", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 38, с. 4901-4912 (1999).
12. Wasylkiewicz, С. К.. и др.. "Глобальный анализ устойчивости и расчет Жидкостная Равновесие в многокомпонентных смесей", штат Индиана Eng. Химреагент Re., 35, с. 1395-1408 (1996).
13. Wasylkiewicz, С. К. и др.., "Давление Анализ чувствительности азеотропов". Eng штат Индиана. Химреагент Рез., 42, с. 207-213 (2003).
14. Напп, ДП, "Освоение Давление эффекты в дистилляции однородных азеотропной смеси". Диссертация. Университет Массачусетс, Амхерст (1991).
15. Wasylkiewicz, С. К. и др.., "Давление Анализ чувствительности азеотропов в Синтез последовательностей ректификационной колонны". Венгерский J. промышленной химии, 28, с. 41-45 (2000).
16. Gmehling, J., и др.. ", Азеотропная данных". VCH Verlagsgesellschalt GmbH. Weinheim (1994).
17. Gmehling. J, и др.., "Пар-жидкость Равновесие сбора данных. DECHEMA химии ряда данных", вып. I, DECHEMA, Франкфурт (1981).
18. Жаров, WT, Л. А. Серафимов, "Основы Physicoehemical перегонки и ректификации." Химия. Ленинградской (1975).
STANISLAW К. WASYLKIEWICZ
Aspen Technology, INC
STANISLAW К. WASYLKIEWICZ, PHD, П. ENG., Старший советник Aspen Technology, Inc (900 125 - 9 просп. SE, Калгари, Альберта t2g OP6, Канада, Телефон: (403) 303-1047, E-почты : <a href="mailto:stan.wasylkiewicz@aspentech.com"> stan.wasylkiewicz @ <aspentech.com />), где его основной акцент концептуального проектирования и моделирования процессов дистилляции. В настоящее время он работает над новыми инструментами для перегонки нефти в компьютерной программе RefSYS, новый продукт, который позволяет компаниям оптимизировать НПЗ в среднем показатели использования интегрированной модели их объектов. Он является выпускником в области химического машиностроения Технического Univ. Вроцлав (Польша), где он получил степень магистра и докторскую степень и преподавал в течение нескольких лет. До прихода в "Концептуальный дизайн Группа Hyprotech (Калгари, Канада), он работал в качестве исследователя в Univ. Массачусетс (Амхерст), где он разрабатывал Мейфлауэр, программное обеспечение для концептуального дизайна системы дистилляции. На протяжении всей своей карьеры инженерных, он принимал активное участие в нескольких областях знаний, в том числе термодинамики, фазовые равновесия, процесса синтеза, моделирование и оптимизация, дизайн без азеотропной азеотропная, гетерогенных и реактивной колонны дистилляции.
Он опубликовал более 100 научных работ и способствовали технические книги. Он является членом Аиш и зарегистрированных профессионального инженера в провинции Альберта, Канада ..
