催化精馏过程的模拟

作者：浙江创兴化工设备有限公司来源：http://www.zjcxce.com 更新时间：2022-7-11 10:19:37 点击次数：

催化精馏过程的模拟

催化精馏过程的数学模型主要有级模型和微分模型，级模型又可分为平衡级和非平衡级模型。

1 平衡级模型

Lavejkov等以离子交换树脂为催化剂，在全回流操作的条件下，提出了一个催化酯化反应精馏过程的简化数学模型。在推导数学模型时假定：

(1)全塔共有包括再沸器和冷凝器在内的N个平衡级；

(2)每个平衡级可视为一个小全混反应器；

(3)气液两相处于相平衡；

(4)反应热全部被物料吸收，无热损失；

(5)过程为定常态；

(6)反应仅发生于液相；

(7)反应达到化学平衡。

求解时，用两点隐式法先将微分方程转化为差分方程，再与相平衡和化学平衡方程联解并采用0法收敛，得到了塔内各级上的温度、组成和气液流率分布。该模型简单，计算量小，但由于对过程作了较大简化，因而使用上受到很大限制，而且计算结果准确度也不高。但可用此法对过程作初步估算，或为更严格计算方法提供初值。鲍杰等针对非均相MTBE催化精馏过程的结构特点，提出了4参数结构分析模型，建立了3对角矩阵化的改进松弛法数学模型方程及算法，在收敛加速机制上提出新的改进技术。对齐鲁石化研究院的合成MTBE催化精馏过程中的全部实验，包括2 000 t／a工业试验进行模拟，计算结果与试验结果吻合良好。该数学模型经过结构参数和基础数据修正后，原则上可以用于其他结构形式物系的非均相催化精馏过程的模拟。

2 非平衡级模型

20世纪80年代中期Kri shnamurthy和Taylor首选提出用于填料塔和板式塔的非平衡级模型。该模型以双膜理论来描述塔内塔板上气液两相在相界面上的传递过程，假定气液两相界面上处于平衡，对气液两相分别进行物料衡算和能量衡算，建立模型并进行联解，从而避免了估算塔板效率或等板高度。随后郑宇翔和许锡恩等在物料衡算中加入反应项，将该模型推广应用于催化反应精馏过程。他们在推导模型方程时假定：

1)过程为定常态；

2)反应仅在催化剂表面发生；催化剂表面与液相主体的温度和浓度相同；

3)气液相界面均匀，气相和液相主体完全混合；

4)任一级中各点的传质速率相等，混合效应可忽略；

5)全塔共N级平衡级，冷凝器和再沸器被视为平衡级。许锡恩等采用自测的气膜和液膜传质系数，用牛顿一拉夫森算法对过程进行计算，通过逐步增加非平衡级数，以塔段较少时的解作为塔段较多时的初值，

非平衡级模型由于考虑了气液两相传质传热阻力，方程个数大大增加。由于收敛域随方程数增加激烈缩小，因此非平衡级模型不仅计算量比平衡级模型大得多，而且初值设置也变得非常苛刻。

微分模型

1989年，张瑞生等“劬提出了多组分非均相催化精馏过程的数学模型，该模型不同于以往的级模型，是分布参数模型。在推导数学模型时假定：

1)无径向浓度梯度；

2)传质阻力主要存在于气液界面，相内和液固间传质阻力可以忽略；

3)反应热全部被物料吸收，无热损失；

4)气液两相在界面处于平衡

5)反应仅发生于反应段液相；

6)过程为定常态。任取一微元段床层，对各段行物料衡算，即得各组分的物料衡算微分方程。此外，模型还包括焓平衡方程、归一化方程、相平衡方程、动力学方程、气液平衡常数、气液两相的摩尔焓和活度系数的计算公式等。对于反应动力学未知的快速可逆反应，可用化学平衡方程代替动力学方程。对于未达到化学平衡的反应，用该法可求得沿塔最大转化率和平衡浓度分布。也可以通过实验测得反应的效率因子，并用效率因子对平衡反应量进行修正。

以上是有关催化精馏过程模拟计算的问题，与均相反应精馏相比，催化精馏的模拟计算研究得还不够充分。尤其对于非均相过程的传质、传热问题，目前的文章大多仅考虑气液间的传递现象而忽略了液固传质的影响。此外，由于反应动力学方程的强非线性，反应精馏有可能存在多定态问题，这方面也值得作进一步研究。