三相精馏：非平衡模拟与参数估计

论文摘要

按照传统的观点,在精馏塔内应该避免出现多个液相共存的情况——因为多相会给操作和控制带来很多不确定的因素。然而,在流程工业中,特别是在诸如共沸精馏、萃取精馏、反应精馏等高附加值的化工生产中,往往不可避免地出现第二个液相,从而形成汽-液-液三相共存的复杂精馏过程。由于流动特征和传质机理过去复杂,三相精馏的研究一度停滞不前。近年来,随着计算能力的提高和实验设施的进步,探索汽-液-液三相精馏的条件逐渐成熟。因此,有必要深入研究三相精馏过程及其本质属性,并以此为契机来提高精馏效率,优化生产工艺,实现节能降耗。本文致力于三相（填料）精馏过程的建模与仿真。在研究中分别建立了三相精馏的平衡（EQ）模型和非平衡（NEQ）模型,并利用柏林工业大学的实验设施开展了系统化的填料精馏实验。结果表明,汽-液-液三相间本质上处于非平衡态。因此,基于板效率和HETP概念的EQ模型不适用于三相体系;NEQ模型是三相精馏过程建模的首选。然而,三相精馏NEQ模型的应用也存在一些制约因素,主要的问题是缺乏估算相间传质参数（如相接触面积、传质系数）的有效方法,这是本文的研究重点之一。本文的主要贡献和创新点总结如下:1.针对汽-液-液三相精馏的流态多样性,在综合文献成果和实验观测的基础上,提出了三种改进的NEQ模型、即M1,M2,M3模型。这些模型基于不同的流态简化和模型假设,可根据塔板或填料上的三相流动特征甄别选用。同时,针对三相精馏普遍存在的液相稳定性问题,提出了内置相稳定性算法的非平衡模拟方法。这对实际生产中大量存在的两相/三相混合精馏过程具有重要意义。2.针对三相精馏中传质参数计算的难点,开展了基于NEQ模型的参数估计研究。提出了一种分层估计策略以归类不同被估参数,成功地实现了多数据集参数估计问题的分解降维。根据参数估计结果,建立了一些扩展的传质经验关联式,首次有效地解决了非平衡模拟中传质参数难以估算的问题。研究表明,在三相精馏模拟中采用扩展的传质关联式可以显著地提升NEO模型的预测性能。3.通过分析汽-液-液三相在填料上的流动特征,建立了三相精馏的传质机理模型,可以用来定量计算汽-液-液三相界面上的所有传质参数（填补了文献上的空白）。研究表明,第二液相的流动模式将对三相精馏的分离效率产生显著影响。本文通过参数估计的方法,基于大量的三相精馏实验数据,辨识了不同操作条件下第二液相的流动模式,进而揭示了三相精馏的一些本质特征,对于学术界有关三相填料精馏的分离效率（上升或者下降）的争论,也能够给予合理的解释。4.为了研究三相精馏塔的控制和优化命题,建立了三相精馏过程的动态EQ模型和NEQ模型。对比了EQ模型与NEQ模型的动态仿真差异,并通过实验数据验证了动态NEQ模型的可靠性。此外,开展了基于三相精馏动态NEQ模型的参数估计研究,并印证了前文关于第二液相流动模式的辨识结果的准确性。最后总结了全文并建议了未来的研究方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 术语表
• 1. 绪论
• 1.1 精馏研究的新趋势
• 1.2 精馏建模:技术路标
• 1.3 三相精馏:现状与文献回顾
• 1.3.1 工业实例
• 1.3.2 模型化
• 1.3.3 相稳定性
• 1.3.4 实验研究
• 1.3.5 基于CFD的研究
• 1.4 本文研究动机
• 2. 非平衡建模技术
• 2.1 Maxwell-Stefan方程
• 2.2 基于膜理论的相间传质计算
• 2.3 两相精馏的非平衡模型
• 2.4 小结
• 3. 三相精馏非平衡模拟
• 3.1 三相平衡模型
• 3.2 三相非平衡模型
• 3.2.1 自由度分析
• 3.2.2 灵敏度分析
• 3.2.3 物性模型与传质传热关联式
• 3.2.4 流态与模型
• 3.3 数值方法与计算平台
• 3.3.1 现有仿真软件
• 3.3.2 内置相稳定性分析的非平衡模拟
• 3.4 非平衡模型验证
• 3.5 小结
• 4. 三相填料精馏的实验研究
• 4.1 填料精馏
• 4.2 实验设置
• 4.3 分离效率
• 4.4 实验结果分析与非平衡模型验证
• 4.5 小结
• 5. 基于非平衡模型的三相传质参数估计
• 5.1 引言
• 2模型'>5.2 非平衡建模: M₂模型
• 5.3 传质参数估计
• 5.3.1 分层估计策略
• 5.3.2 数学表达式
• 5.3.3 问题维度分析
• 5.4 案例分析:扩展Billet关联式
• 5.5 扩展的关联式与改进的预测性能
• 5.6 洞悉三相传质过程实质
• 5.7 小结
• 6. 探索三相填料精馏的本质:传质机理模型
• 6.1 引言
• 6.2 研究成果回顾:三相流动特征
• 6.3 核心思想
• 6.4 三相传质机理模型
• 6.5 集成的传质计算与非平衡模拟
• 6.6 传递参数估计
• 6.6.1 流动模式辨识
• 6.6.2 模型验证
• 6.7 分离效率的奥秘
• 6.8 小结
• 7. 三相精馏的动态模拟与参数估计
• 7.1 引言
• 7.2 动态三相平衡模型
• 7.3 动态三相非平衡模型
• 7.4 模型验证
• 7.5 动态传质参数估计
• 7.6 小结
• 8. 总结与展望
• 8.1 研究工作总结
• 8.2 未来研究方向
• 附录1.填料塔的传质关联式
• 附录2.实验数据示例
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的学术论文
• 作者简介