1、甲醇/水二元间歇精馏塔 建模与仿真,丁辉 信研0804 2008000815,间歇精馏过程是过程工业中的重要分离过程之一，由于间歇化工过程适合小批量、多品种和高附加值的精细化学品的生产，近年来其工艺研究和开发得到过程工业界的日益高度重视。,一、间歇精馏塔试验装置二、建立精馏塔的动态物料平衡模型三、一次开车过程的模拟四、不同回流比的仿真比较,一、间歇精馏塔试验装置,精馏实验前，原料一次性加入再沸器。再沸器夹套通水蒸汽加热，水蒸气流量用一套流量控制器控制。塔内共设有6块筛板式塔板。塔顶甲醇蒸汽流经冷水冷凝器冷凝，部分回流。,二、建立精馏塔的动态物料平衡模型,为了建立该甲醇/水二元间歇精馏塔的动态数
2、学模型，做了以下主要假设： (1)塔内蒸汽流量V(mol/h)和回流量L(mol/h)保持恒定；无挟带和渗漏，冷凝器全冷凝。 (2)每块塔板上的滞留液量恒定(Mi,i=1,2,6)；蒸汽滞液量可忽略。 (3)塔板为理想塔板，塔板效率恒定，气液相平衡，气相为理想气体。 (4)绝热操作，塔板和再沸器内气液相完全混合。,间歇精馏塔的再沸器、塔顶冷凝器和塔板1到塔板6的动态物料平衡方程,Ms：再沸器的滞留液量；Md：塔顶冷凝器的滞留液量；Xi(i=1,2,6,d,s)：塔板i(i=1,2,6)、再沸 器和塔顶冷凝器的液相甲醇浓度(摩尔分数)；Yi(i=1,2,6,s)：塔板i(i=1,2,6)和再沸器
3、的气相甲醇浓度(摩尔分数)。,甲醇浓度Y和液相甲醇浓度X的关系,静态物料平衡方程和回流比计算式,D：塔顶冷凝后收集的甲醇产品流量，mol/h；R：回流比,温度-浓度经验模型,利用欧拉法将式(1)(7)离散化,根据以上建立的模型，进行matlab编程 初始条件为：回流比1.8，塔釜甲醇初始浓度0.45(摩尔分数)，6个塔板的滞液量0.01kmol，冷凝器的初始滞液量为0.05kmol，再沸器的初始滞液量为1.6kmol，塔内蒸汽流量为3.2/3600kmol/s，相对挥发度为3.48，精馏时间为5000s，采样时间为0.5s。,三、一次开车过程的模拟,%初始化 clear all r=1.8;r
4、1=2.5; z=0.45; m=0.01;% v=3.2/3600;% d(1,1)=v/(r+1);d(2,1)=v/(r1+1); l(1,1)=v-d(1,1);l(2,1)=v-d(2,1); a=3.48; i=1; tt=5000; detat=0.5; md_0=0.05;% ms_0=1.6;%,for t=0:detat:ttif t=0%初始值for k=1:2md(k,i)=md_0;ms(k,i)=ms_0;%xxd(k,i)=z;x1(k,i)=z;x2(k,i)=z;x3(k,i)=z;x4(k,i)=z;x5(k,i)=z;x6(k,i)=z;xs(k,i)=z
5、;,%y%yd(i)=a*xd(i)/(1+(a-1)*xd(i);y1(k,i)=a*x1(k,i)/(1+(a-1)*x1(k,i);y2(k,i)=a*x2(k,i)/(1+(a-1)*x2(k,i);y3(k,i)=a*x3(k,i)/(1+(a-1)*x3(k,i);y4(k,i)=a*x4(k,i)/(1+(a-1)*x4(k,i);y5(k,i)=a*x5(k,i)/(1+(a-1)*x5(k,i);y6(k,i)=a*x6(k,i)/(1+(a-1)*x6(k,i);ys(k,i)=a*xs(k,i)/(1+(a-1)*xs(k,i);end else%滞液量的计算for k=
6、1:2md(k,i)=(v-l(k,1)*detat+md(k,i-1);ms(k,i)=(l(k,1)-v)*detat+ms(k,i-1);,%x浓度的计算xd(k,i)=(v-l(k,1)*(y6(k,i-1)-xd(k,i-1)*detat/md(k,i-1)+xd(k,i-1);x1(k,i)=(v*(ys(k,i-1)-y1(k,i-1)+l(k,1)*(x2(k,i-1)-x1(k,i-1)*detat/m+x1(k,i-1);x2(k,i)=(v*(y1(k,i-1)-y2(k,i-1)+l(k,1)*(x3(k,i-1)-x2(k,i-1)*detat/m+x2(k,i-1)
7、;x3(k,i)=(v*(y2(k,i-1)-y3(k,i-1)+l(k,1)*(x4(k,i-1)-x3(k,i-1)*detat/m+x3(k,i-1);x4(k,i)=(v*(y3(k,i-1)-y4(k,i-1)+l(k,1)*(x5(k,i-1)-x4(k,i-1)*detat/m+x4(k,i-1);x5(k,i)=(v*(y4(k,i-1)-y5(k,i-1)+l(k,1)*(x6(k,i-1)-x5(k,i-1)*detat/m+x5(k,i-1);x6(k,i)=(v*(y5(k,i-1)-y6(k,i-1)+l(k,1)*(y6(k,i-1)-x6(k,i-1)*detat
8、/m+x6(k,i-1);xs(k,i)=(l(k,1)*(x1(k,i-1)-xs(k,i-1)-v*(ys(k,i-1)-xs(k,i-1)*detat/ms(k,i-1)+xs(k,i-1);,%y浓度的计算y1(k,i)=a*x1(k,i)/(1+(a-1)*x1(k,i);y2(k,i)=a*x2(k,i)/(1+(a-1)*x2(k,i);y3(k,i)=a*x3(k,i)/(1+(a-1)*x3(k,i);y4(k,i)=a*x4(k,i)/(1+(a-1)*x4(k,i);y5(k,i)=a*x5(k,i)/(1+(a-1)*x5(k,i);y6(k,i)=a*x6(k,i)/
9、(1+(a-1)*x6(k,i);ys(k,i)=a*xs(k,i)/(1+(a-1)*xs(k,i);endend,%温度t的计算for k=1:2t2(k,i)=80.1-15.44*x2(k,i)+20*exp(-x2(k,i)/0.1277);t4(k,i)=80.1-15.44*x4(k,i)+20*exp(-x4(k,i)/0.1277);td(k,i)=80.1-15.44*xd(k,i)+20*exp(-xd(k,i)/0.1277);ts(k,i)=80.1-15.44*xs(k,i)+20*exp(-xs(k,i)/0.1277);endfor k=1:2if ms(k,i
10、)1e-5break;endendi=i+1; end,%冷凝器浓度图 figure(1); t=0:detat:tt; plot(t,xd(1,:),b.-,t,xd(2,:),r-.) xlabel(Time(s) ylabel( xd) title(冷凝器产品不同回流比从开始直至结束的动态浓度变化曲线) legend(r=1.8, r=2.5) grid on%第六块塔板浓度图 figure(2); t=0:detat:tt; plot(t,x6(1,:),b.-,t,x6(2,:),r-.) xlabel(Time(s) ylabel( x6) title(第六块塔板不同回流比从开始直
11、至结束的动态浓度变化曲线) legend(r=1.8, r=2.5) grid on,%第一块塔板浓度图 figure(3); t=0:detat:tt; plot(t,x1(1,:),b.-,t,x1(2,:),r-.) xlabel(Time(s) ylabel( x1) title(第一块塔板不同回流比从开始直至结束的动态浓度变化曲线) legend(r=1.8, r=2.5) grid on%再沸器浓度图 figure(4); t=0:detat:tt; plot(t,xs(1,:),b.-,t,xs(2,:),r-.) xlabel(Time(s) ylabel( xs) title
12、(再沸器不同回流比从开始直至结束的动态浓度变化曲线) legend(r=1.8, r=2.5) grid on,%再沸器温度变化图 figure(5); t=0:detat:tt; plot(t,ts(1,:),b.-,t,ts(2,:),r-.) xlabel(Time(s) ylabel( ts) title(再沸器不同回流比从开始直至结束的动态温度变化曲线) legend(r=1.8, r=2.5) grid on%各层r=1.8浓度变化图 figure(6); t=0:detat:tt; plot(t,xd(1,:),b.-,t,x6(1,:),r-.,t,x5(1,:),k-.,t,
13、x4(1,:),c-.,t,x3(1,:),m-.,t,x2(1,:),y-.,t,x1(1,:),g-.,t,xs(1,:),b-.) xlabel(Time(s) ylabel( x) title(各层r=1.8从开始直至结束的动态浓度变化曲线) legend(xd, x6,x5,x4,x3,x2,x1,xs) grid on,%r=1.8时2，4，s,d温度变化图 figure(7); t=0:detat:tt; plot(t,td(1,:),b.-,t,t4(1,:),r-.,t,t2(1,:),k-.,t,ts(1,:),g-.) xlabel(Time(s) ylabel( t)
14、title(各层r=1.8从开始直至结束的动态温度变化曲线) legend(td, t4,t2,ts) grid on,得到各层在r=1.8时从开始到结束的动态浓度变化曲线、第2，4塔板、冷凝器、再沸器温度变化曲线,可以看出在仿真过程中各层的浓度的变化，随着塔板高度增高，浓度是依次增大的，由于冷凝器的滞液量是在变化的，所以浓度比第六层塔板有一定的滞后。随着时间的变化，再沸器中的浓度越来越低，在2500s后蒸发出来的基本上是水蒸气，故冷凝器的浓度开始下降，当水蒸干时，原来的混合液全都进入冷凝器，故5000s时冷凝器浓度在初始值0.45(摩尔分数)。,从图3中可以看出2、4层塔板及冷凝器、再沸器的温度变化，随着精馏过程进行，塔板温度逐渐升高。冷凝器温度降低，在浓度较高时保持在65-70 。当蒸发的基本为水时温度回升到初始值附近。,四、不同回流比的仿真比较,R=1.8 和 R=2.5,可以看出当回流比比较大时在相同时刻各塔板的浓度都比较小回流比时高，但是精馏的过程时间比较长，达到最高浓度的时间也较晚。对于温度，也可以看出较大回流比时的在相同时刻的温度比小回流比的低。,THANKS!,
