An efficient dynamic model for batch distillation

A novel, rigorous and efficient solution technique for multicomponent batch distillation modelling equations is proposed. Model predictions using the technique are shown to be in close agreement with experimental batch distillation data for a ten sieve tray, 15 cm diameter column separating ethanol and water. The results also show improved accuracy over commercially available programs for batch distillation. The method incorporates rigorous dynamic energy blances as well as accurate representation of both tray hydraulics and non-ideal mass transfer. The technique is based on a functional approximation for liquid enthalpy and makes a difficult-to-calculate temperature derivative implicit in other terms in the equations, eliminating the need for iterative solution techniques. The numerical efficiency of the method permits its utilization in model-based optimization and control calculations. The modelling approach is applicable to both batch and continuous dynamic distillation models.     

基于Cape-Open标准的间歇精馏过程模拟系统的开发

在合理假设的前提下建立间歇精馏过程的严格动态模型,此模型按精馏塔的结构分解为:再沸器、塔板、冷凝器、回流釜、分配器及产品罐模型等6个子模型,塔板子模型考虑了液相持液量。基于Cape-Open标准采用面向对象程序设计方法,实现各个子模型程序,将各个子模型的参数及解算方法封装在各自的类中,利用四阶龙格库塔积分方程,采用逐板计算法由塔釜至产品罐自下而上地求解该模型。最后引入一3组份混合物间歇精馏实例,模拟结果较好地反映了该物系间歇精馏的动态特征,表明该模型准确可靠,所开发的系统稳定。     

Nonlinear model-based control of a batch reactive distillation column

The inherent trade off between model accuracy and computational tractability for model-based control applications is addressed in this article by the development of reduced order nonlinear models. Traveling wave phenomena is used to develop low order models for multicomponent reactive distillation columns. A motivational example of batch esterification column is used to demonstrate the synthesis procedure. Tight control of the column is obtained with the use of reduced model in a model predictive control algorithm.     

间歇精馏设计软件的开发

利用Visual Basic 6.0语言开发间歇精馏常规设计及优化设计软件。软件可用于不同物系(二元理想及非理想溶液),采用不同操作方式(恒馏出液组成操作和恒回流比操作)间歇精馏的常规设计和优化设计(包括单变量优化和多变量优化)计算。软件采用面向对象的编程技术,对精馏组分的物性参数、汽液相平衡数据实行数据库操作,界面友好,使用方便。     

回流比恒定的间歇精馏工艺计算方法改进

以正庚烷-正辛烷体系为例,根据R=f(n,XD)=nRmin,以假定最初的馏出液组成XD,0和n值,交替进行两次迭代试差,最终确定最小回流比和适宜回流比,修正了文献所给出的不妥之处。另外,用解析计算取代面积积分,求解釜液量。     

恒回流比多组分间歇精馏计算

采用"瞬间稳态"法计算恒回流比多组分间歇精馏过程.提出操作初始态馏出液组成的设定依据,减少回流比和理论板数设计的盲目性.程序完善多组分间歇精馏回流比和理论板数的计算方法,简化馏出液瞬间组成、平均组成及釜残液瞬间组成的计算过程.     

酯交换合成碳酸二乙酯反应精馏工艺的模拟

碳酸二乙酯是一种性能优良的绿色溶剂,在锂离子电池行业中应用广泛。以碳酸二甲酯和乙醇为原料,采用反应精馏工艺生产碳酸二乙酯是目前的主流工艺。由于该反应分为两步进行,因此如何调节工艺参数来提高反应物转化率和产品收率是工业生产中的重要问题。本文以实验得出的动力学方程、UNIQUAC热力学模型,应用Aspen Plus流程模拟软件实现了工业实际反应精馏工艺流程的模拟,详细讨论了进料位置、回流比、进料配比等因素对反应精馏塔性能的影响。结果表明,模拟值与实验值吻合良好,在回流比为4.5～5,混合进料第20块板,进料醇酯比2.5:1,反应段（2～31）块板,空速小于0.18 hr^-1时,反应精馏塔性能最佳。模拟结果对反应精馏合成碳酸二乙酯的工艺设计和过程优化具有重要指导意义。     

旋转填料床间歇精馏不稳态开工过程

为了深入了解三角形螺旋填料旋转床间歇精馏不稳态开工过程的影响因素及规律,以乙醇-水为实验物系进行实验和模型研究。改变料液浓度、再沸器加热功率和转速的开工实验结果表明,旋转填料床中强大的离心力和高效填料的协同作用使得间歇精馏不稳态开工过程得到极大强化、开工时间很短(30min左右),节能;在最佳转速下开工可使馏出液浓度最大,馏出液浓度随料液浓度和再沸器加热功率的增加而增大。旋转填料床间歇精馏过程在最佳转速和较大的再沸器加热功率下开工,效果最好;以平衡级理论为基础建立的数学模型能较好地描述该过程的不稳态开工规律,模拟值与实验值吻合良好,平均相对误差在2%以内。旋转填料床是强化间歇精馏过程的有效途径。     

基于塔板组成线的反应精馏图解设计

图解设计法,可以相对较少的已知数据快速、直观地获得反应精馏塔的结构和操作参数。本文在转换组成变量的基础上,系统地推导了反应精馏塔板组成线方程及设计可行性判据,提出了基于塔板组成线进行反应精馏图解设计的策略,并对理想反应体系进行了实例设计计算。研究结果表明：利用塔板组成线进行反应精馏设计可同时获得多组可行设计方案,比现有精馏线和剩余曲线设计方法更为有效,并有利于设计的优化和经济效益评价。     

Control of reactive distillation production of high-purity isopropanol

The process characteristics and control strategy of a high-purity IPA reactive distillation column were investigated. A robust nominal operation was found by maintaining an excess of propylene feed to the column and recycling the unreacted propylene to the feed instead of the top stage. Stage temperature and propylene composition with one-to-one relationship with reboiler duty and propylene feed are selected as controlled variables for maintaining bottom purity and feed ratio in the presence of possible measurement bias respectively. High nonlinearity between selected input–output pair was reduced by using variable transformation. Dynamic simulations demonstrated that such a control scheme with nonlinear transformed variable was capable of providing much superior control performance than the one using natural variable.     

反应精馏生产丁酸酐的过程模拟

丁酸酐是一种重要的有机原料,其现有的生产工艺为间歇操作,收率较低。本研究将反应精馏技术应用到生产丁酸酐的工艺中,建立了连续生产工艺的数学模型,在实验数据的基础上,用数据分析软件MATLAB对实验数据分析处理,得到相应的模型参数。采用ASPEN PLUS进行工艺方案的模拟计算,结果表明,利用反应精馏连续生产丁酸酐的工艺是可行的,以分离促反应,产品收率到达了97%以上,同时选择工艺操作参数,最佳条件为:酸酐比2:1、反应压力0.2 atm、塔板数为12块,确定反应区主要为进料板附近。     

Control of reactive distillation process for production of ethyl acetate

In this paper, plant-wide control for the production of ethyl acetate using reactive distillation is studied. Four important issues are considered in developing control schemes, including: (1) economics; (2) steady-state deviation of key product purities; (3) controllability in terms of degree of oscillation and settling time; and (4) feasible region of disturbances for effective control. Starting with two basic control schemes that have been studied before, new control schemes are developed to improve the operability of the process. These new control schemes have evolved from the basic schemes by making a trade-off between optimal design and control or by selecting sensor locations using closed-loop sensitivity analysis. It is found that, while being subjected to fluctuations in the composition of the acid feed or in the production flow-rate, sensor location based on traditional open-loop sensitivity causes a larger overshoot and steady-state deviation of key product purities. Sensor location on the basis of a closed-loop sensitivity analysis provides a better alternative for feedback control. The resulting scheme for control is found to be effective in reducing the steady-state deviation and in promoting good control performance.     

反应精馏合成乙酸乙酯的实验研究与模拟

本文以Amberlyst-36Wet离子交换树脂为催化剂,采用间歇搅拌釜式反应器,在消除内外扩散影响的条件下,测得不同温度下反应速率常数.研究自制反应精馏塔中(直径25 mm,高2.2 m)乙酸乙酯的合成工艺,得到反应精馏的工艺参数.在实验基础上,建立改进工艺的Aspen Plus模拟流程图.实验结果与模拟计算值吻合良好,表明所建立的Aspen Plus模型能够很好地描述反应精馏合成乙酸乙酯过程.以乙醇转化率、产品乙酸乙酯的收率和塔顶油相乙酸乙酯的质量分率为考察目标,通过流程模拟和灵敏度分析,确定该工艺的最佳工艺参数:精馏段、反应段和提馏段的理论板数分别为9、7和7;醋酸和乙醇的最佳进料位置在第9块和第16块塔板上;回流比R为1.6.在此工艺条件下,产品乙酸乙酯的含量是95.2%(wt),乙醇转化率为96.1%.     

乙酸丁酯反应精馏过程模拟设计

反应精馏偶合了反应和精馏两种单元操作,通过精馏促进反应,可以提高反应转化率和收率,为可逆反应的化工过程生产提供了新的设计途径。基于严格热力学分析计算,利用计算机模拟和优化手段。提出了乙酸丁酯反应精馏、分离纯化的生产流程。采用UNIQUAC方程表征乙酸-正丁醇-乙酸丁酯-水四元非理想体系的汽液平衡,首先,根据实验数据回归了热力学模型中的交互作用参数,并预测了体系中5个共沸物组成,模型的计算结果与实际数据吻合。基于平衡级模型,提出了由平衡反应器、反应精馏塔、倾析器和纯化塔构成的可行流程,对提出的设计流程进行了模拟、优化,得到了操作工艺参数。模拟结果对工业过程的设计和改造具有一定的指导意义。     

基于Aspen Plus用户模型的MTBE反应精馏模拟

采用用户模型技术,运用Fortran语言编写反应动力学子程序,并将其嵌入Aspen Plus精馏过程中,从而在Aspen Plus平台实现了MTBE反应精馏过程的动力学模拟,结果表明,所建用户模型MrBE反应精馏塔内温度、液相组成分布模拟值较好地吻合了文献值。以MTBE收率及纯度作为目标函数,研究了精馏塔相关参数改变对目标函数的影响,得到的优化条件分别如下:操作压力为1100 kPa,回流比为6,甲醇进料位置为第10块板,反应段塔板数为8块,此时MTBE收率为95.53%,纯度为99.2%。     

间歇精馏常规设计和优化设计的模型及算法

建立了板式间歇精馏塔在恒馏出液组成操作状况下常规设计及优化设计的数学模型。常规设计模型用数值方法编程求解,对二元理想及非理想溶液均适用。优化设计模型以间歇精馏系统年效益最大为优化目标,用菲波那契法求解单变量优化问题,用复合形法求解多变量优化问题。模型同时考虑对整个间歇精馏系统(包括塔主体、塔顶冷凝器及塔底再沸器)进行优化,更符合工程实际情况。求解模型可得到间歇精馏过程最优的一系列设计和操作参数(如理论板数,塔径,操作回流比,塔釜蒸发量,釜残液组成,冷凝器传热面积及冷却水出口温度,再沸器传热面积及加热蒸汽温度等)。算例表明,对恒馏出液组成间歇精馏单变量及多变量优化设计比常规设计分别提高年效益2．6％和18．9％。     

Simultaneous optimization of design and operation of multicomponent batch distillation column—single and multiple separation duties

A method is presented for the simultaneous optimization of a batch distillation column design and its operation, for single and multiple separation duties, each involving different multicomponent mixtures and complex operations with intermediate cuts. For operation structures selected a priori, the formulation presented permits the use of general distillation design and cost models. The objective function and constraints include capital and operating cost. In particular, the number of internal plates is optimized along with the most significant operating variables (recoveries in various cuts and reflux ratio profiles and times). The multiple duty formulation presented accounts for the different importance of each duty and setup time between batches. Application of the method to single duty multicomponent separation from the literature shows that significant profit improvements can be achieved within acceptable computing times. For multiple separation duties (two binary mixtures), the method clearly shows the importance of including allocation time to each duty and setup time for each batch in the objective function.     

间歇精馏过程的模糊逻辑与增益自调整PID混合控制

针对间歇精馏过程的强非线性和非平稳时变特性,结合模糊逻辑控制和增益自调整PID控制的优点,提出了一种模糊逻辑和增益自调整PID混合控制的先进控制策略,详细推导了其控制算法,设计了相应的控制器,并在EuroBEEB工控机上用实时BASIC语言编程实现,对一套甲醇/水二元间歇精馏塔的塔顶浓度进行了推断控制实验,获得了比单独采用模糊逻辑控制时更好的控制结果。这说明,模糊逻辑和增益自调整PID混合控制是强非线性和非平稳时变过程的一种有效控制策略。     

Word环境Matlab馏出液组成恒定的间歇精馏工艺计算研究

以正庚烷-正辛烷溶液为例,研究了Word与Matlab Notebook动态链接和交互作用,计算保持馏出液组成恒定的间歇精馏工艺,得到两个重要结论:(1)釜液组成随回流比变化为Xw=-0.0012R3 0.0276R2-0.2217R 0.7581,呈3次函数关系。因此,操作结束的釜液组成不应低于0.14;(2)数值计算dx取值大小,对精馏时间的影响为T=7.0729dx2 0.045dx 2.5648。故该方程的极限值即为不受计算过程影响的准确精馏时间。     

人工免疫动态克隆调节策略在分馏装置塔板效率确定中的应用

在石油化工领域中,分馏过程是流程模拟计算中重要的模块之一,在分馏过程模拟的主要输入参数中,塔盘效率无法直接获得,因此确定合适的塔盘效率是分馏模拟成功与否的关键因素,探索合适的方法确定板效率是精馏模拟的重要课题。本文在板效率确定方面,引入人工免疫动态克隆优化调节策略DCAS,与传统的智能优化算法相比,该算法的特点为:自动调整搜索空间及克隆规模;采用多尺度变异策略;有机结合全局与局部搜索能力。在实验中,通过建立分馏装置的机理模型,并采集装置的实际工况数据和各流股质量组成的分析数据,对所采集的数据依据稳态过程的物料守恒方程等进行剔除和校正处理,采用校正后的工况数据作为模型的输入,分别用经验法、遗传算法GA及人工免疫动态调整策略DCAS确定分馏装置的塔板效率,使模型与实际装置达到最大程度的吻合。研究结果表明,用DCAS确定的塔板效率,能够使分馏塔的关键塔板温度分布及分馏塔塔顶、塔釜主要产品的产出与实际吻合得最好,表明用DCAS搜索的塔板效率建立的分馏塔模型能够较好地描述实际分馏塔的生产过程,可以用来指导分馏装置的过程模拟及优化操作。