低溫空分規(guī)整填料塔混合級模型建模研究.pdf

1、19世紀(jì)八十年代以來，為適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需求，低溫空氣分離系統(tǒng)開始被廣泛用于氧、氮、氬等氣體的生產(chǎn)。而今，日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境形勢和飛速發(fā)展的半導(dǎo)體工業(yè)對空分系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的推動作用。這無疑將為其進(jìn)一步發(fā)展帶來巨大的機(jī)遇，但與此同時(shí)，也將帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈円髥翁卓辗窒到y(tǒng)的產(chǎn)能更高，單位產(chǎn)品能耗更低，與其他系統(tǒng)耦合度更高，系統(tǒng)整體運(yùn)行更加安全穩(wěn)定。相關(guān)研究表明，過程優(yōu)化控制對滿足這些要求具有重要意義，而兼?zhèn)錅?zhǔn)確和求解快速特點(diǎn)

2、的過程機(jī)理模型則是過程優(yōu)化控制的關(guān)鍵。
　　 目前，描述精餾過程的機(jī)理模型主要可分為兩大類:基于平衡級假設(shè)的平衡級模型和基于實(shí)際傳熱、傳質(zhì)的非平衡級模型?？傮w而言，由于平衡級假設(shè)的引入，前者在求解上較為簡單，但為了修正平衡級假設(shè)帶來的誤差，這一模型通常需引入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)板效率或等板高度，而它們的不確定性使得平衡級模型的精確度沒有非平衡級模型高。針對現(xiàn)有空分精餾過程機(jī)理模型中存在的問題和不足，本文開展了以下工作:
　　 1.通

3、過大量閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了目前國內(nèi)外低溫空分技術(shù)發(fā)展的趨勢，分析了其中對空分系統(tǒng)節(jié)能降耗具有較大潛力的方式，重點(diǎn)論述了過程優(yōu)化控制的重要意義，從而間接闡明了過程機(jī)理模型對低溫空分系統(tǒng)運(yùn)行的重要意義。
　　 2.在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)整理了19世紀(jì)80年代以來國內(nèi)外各單位所開展的過程機(jī)理模型的研究，總結(jié)了平衡級模型和非平衡級模型的發(fā)展歷程，以及它們各自的特點(diǎn)及成功應(yīng)用案例。進(jìn)而，結(jié)合當(dāng)前精餾動態(tài)控制的需求，介紹了在上述兩個模型基礎(chǔ)上衍生

4、而來的不同動態(tài)模型的發(fā)展，尤其是它們在低溫空氣分離領(lǐng)域的應(yīng)用，為后續(xù)研究工作的展開奠定了基礎(chǔ)。
　　 3.通過考慮規(guī)整填料強(qiáng)化傳熱及促進(jìn)混合的特性，在非平衡級模型的基礎(chǔ)上引入級間熱平衡假設(shè)，建立了規(guī)整填料塔的混合級模型。此后，通過引入分離效率函數(shù)的方法，得到了能夠采用三對角矩陣進(jìn)行求解的控制方程組，這一方法不同于傳統(tǒng)非平衡級模型求解中采用的牛頓迭代法，無需進(jìn)行相關(guān)熱力學(xué)函數(shù)的偏導(dǎo)運(yùn)算，因而更為快捷有效。
　　 4.采用F

5、ortran語言編程實(shí)現(xiàn)了上述模型的求解過程，并將整個模擬結(jié)果同商業(yè)軟件Aspen Plus的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，該模型模擬結(jié)果與Aspen Plus模擬結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了整個建模及求解方法的可靠性。
　　 5.在上述求解方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過改變進(jìn)料量、進(jìn)料位置等參量，分析了模型的穩(wěn)態(tài)特性。并采用基于平衡態(tài)熱力學(xué)的(火用)分析和基于非平衡態(tài)熱力學(xué)的(火用)分析法，對相關(guān)參數(shù)分布曲線中的奇點(diǎn)進(jìn)行了分析，從熱力學(xué)角度探