分离工程严格计算1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,多组分多级分离的严格计算,Chapter4 Multistage separation process,of multi-component rigorous calculation,4.1,多组分复杂精馏过程的模型,4.2,三对角矩阵法,4.3,逐板计算法,4.4,松弛法,参考文献,重点掌握,掌握,了解,掌握,第四章 主要内容,1,）了解平衡级的基本假定，掌握多级平衡分离过程的物理模型和数学模型,2,）掌握三对角线矩阵法（泡点法）的计算原理和解法，该法的优缺点和改进方法,3,）掌握逐板计算法原理、计算起点和步骤,4,）了解流率加和法（,SR,法）和松驰法的计算原理,本章要求：,4-1多组分复杂精馏过程的模型,一、复杂精馏塔物理模型,复杂精馏塔,多于一股进料和多于两股出料的精馏塔,目的：,节省能量,和,减少设备的数量,1、复杂精馏塔类型,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,1、复杂精馏塔类型,多股进料,侧线采出,中间冷凝或中间再沸,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,2、模型塔,j平衡级,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,二、平衡级的理论模型,1、多级分离过程的平衡级,(1)在每一分离级上的每一相流体为,完全混合,，其温度、压力和组成在分离级上各处均一致，且与离开分离级的该相流体相同,(2)离开分离级的两相流体之间成,相平衡,具备这两个条件的分离级为平衡级,由平衡级假设引起的误差，可以进行修正，如引进,级效率,等,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,2、多级分离过程的数学模型MESH方程组,物料平衡式Material Balance Equation,热量平衡式 Heat Balance Equation,或,摩尔分率加和式 Summary Equation,相平衡关系式Equilibrium Balance Equation,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,2、多级分离过程的数学模型MESH方程组,除,MESH,模型方程组外,个变量,个方程和,将上述,N,个平衡级按逆流方式串联起来，有,必须知道,的关联式,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,三、计算方法,1、开发前的准备,构成一个精馏塔模拟计算的算法，必须对下列,三点作出选择和安排,1）迭代变量的选择,2）迭代变量的组织,3）一些变量的圆整和归一的方法以及迭代的加速方法,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,2、严格计算法的种类,1）矩阵法,是将,MESH,方程按类别组合，对其中一类和几类方程组用矩阵法对各级同时求解,2）逐板计算法,将各类方程按板组合，运用试差的方法，逐级求解相平衡，物料平衡和热平衡方程式,3）松弛法,采用不稳定状态的物料平衡方程和热平衡方程，求解稳定状态下多级平衡过程,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,3、计算类型,设计性计算。,解决完成一预定的分离任务的新过程设计问题,需知道轻、重关键组分的回收率（或分离要求），求解,所需的理论板数,，和最佳进料位置和侧线采出位置,操作性计算。,已知操作条件下，分析和考察已有的分离设备的性能,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,4、发展动态,开发新的方法,动态模拟与调优,特定过程模拟,4.1,多,组,分,复,杂,精,馏,过,程,的,模,型,4-2 三对角矩阵法,泡点法,一、计算原理,在初步假定的沿塔高温度、汽、液流量的情况下，逐板地用物料平衡（,M,）和汽液平衡（,E,）方程联立求得一组方程，并用矩阵求解各板上,组成,用,S,方程求各板上新的,温度,用,H,方程求各板上新的,汽液,流量,。如此循环计算直到稳定为止,4.2,三,对,角,矩,阵,法,二、ME方程,将E方程带入M方程消去,令,4.2,三,对,角,矩,阵,法,二、ME方程,当,时，即塔釜，没有下一板上来的蒸汽,当,的液体,时，即塔顶冷凝器，由于没有上一板来,4.2,三,对,角,矩,阵,法,二、ME方程,或简写为,4.2,三,对,角,矩,阵,法,三、初值的确定,设为恒摩尔流,j板平衡：,液相平衡：,根据塔顶、塔釜的温度线性分布,4.2,三,对,角,矩,阵,法,三、初值的确定,由j板与塔顶作物料平衡,常数中如果没有某些物料,可以用零代入,求,由,4.2,三,对,角,矩,阵,法,四、求解方法,1、三对角矩阵中求解,的方法,4.2,三,对,角,矩,阵,法,1、三对角矩阵中求解,的方法,其中,由此求出各,和,并可以求出某一组分在各块板上的液相组成,4.2,三,对,角,矩,阵,法,2、用S方程计算新的温度分布,1）圆整,2）用泡点法求,3、用H方程计算各块板的,和,H方程：,任一板总物料衡算,，并同时得,4.2,三,对,角,矩,阵,法,3、用H方程计算各块板的 和,由假定的,为止,冷凝器开始，然后随着j的递增而求得,，计算顺序从,初始值即可求得,4.2,三,对,角,矩,阵,法,5、计算步骤,确定必要条件和基础数据,按塔顶、塔釜的温度假定在塔内温度为线性分布的温度初始值,则圆整,，若,用高斯消去法解矩阵得,中的,，然后计算ME矩阵方程,的计算,由假设,组初始的蒸汽量分布,，按恒摩尔流假定一,4.2,三,对,角,矩,阵,法,5、计算步骤,由计算出的,判断是否满足收敛条件,新的汽液相流量,用H方程从冷凝器开始向下计算出各板的,计算,、,、,由,，同时计算,，用S方程试差迭代出新的,温度,4.2,三,对,角,矩,阵,法,五、流量加和法（SR法）,解ME三对角矩阵方程求出组分流率,相应的衡算式的形式也要有所改变,即用各板之组分流率代替,独立变量取,再用,H,方程校正温度,或,和,组分流率加和,(S),得到,4.2,三,对,角,矩,阵,法,六、讨论,由子程序求解ME三对角矩阵的,，若为,负值,均置为零,对接近,理想,溶液的物系，采用,大,循环，,计算速度快,对接近理想溶液体系，对,初值要求,不苛刻,对非理想物系，,初值,会影响到是否,收敛和收敛速度,对,非理想,溶液物系，采用,T,循环有利收敛,4.2,三,对,角,矩,阵,法,六、讨论,收敛判据,不唯一,BP法与SR法比较,BP法是以求得的浓度来决定下一循环所用的温度。即适用于塔板,温度,主要决定于浓度(,组成,），而,流率,主要决定于,热平衡,SR法用在组成对流率的影响大于焓平衡对流率的影响，,温度,决定于,热量平衡,而不是组成，即热平衡中显热的影响较为显著的情况,4.2,三,对,角,矩,阵,法,六、讨论,BP法的,缺陷,BP法用于非理想性较强的物系，往往不收敛,原因：,对初值有要求,由M方程得到的液相组成在没有收敛前，不满足,如果将得到的,值,圆整,，,不再满足M方程,直接返回第二步运算，结果会发散。,的关系式，如果将这些组成,4.2,三,对,角,矩,阵,法,六、讨论,高松提出用,物料衡算来校正圆整后的液相组成,，使之不仅满足S方程，也尽量符合M方程。即CMB矩阵法.,丁惠华对此进行了修正，在三对角矩阵基础上，引进,组分的物料衡算,对塔两端产品的组成及塔内各板组成进行校正，使计算适用于非理想物系的精馏计算。,4.2,三,对,角,矩,阵,法,1、三对角矩阵法（泡点法）的计算原理和计算框图，并简单说明该法在应用上的局限性，即如何改进,2、写出三对角矩阵法的,MESH,方程，并说明流量加合法和三对角矩阵法有何不同,3,、开发精馏过程的新算法需对那几点作出选择和安排,以三对角矩阵法为例说明,思考题,