低温空分规整填料塔混合级模型建模研究

作     者：吴钊 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张小斌

授予年度：2013年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：低温空分 优化控制 混合级模型 Aspen Plus (?)分析 

摘      要：19世纪八十年代以来,为适应工业发展的需求,低温空气分离系统开始被广泛用于氧、氮、氩等气体的生产。而今,日益严峻的能源环境形势和飞速发展的半导体工业对空分系统的发展起到了极大的推动作用。这无疑将为其进一步发展带来巨大的机遇,但与此同时,也将带来巨大的技术挑战,因为它们要求单套空分系统的产能更高,单位产品能耗更低,与其他系统耦合度更高,系统整体运行更加安全稳定。相关研究表明,过程优化控制对满足这些要求具有重要意义,而兼备准确和求解快速特点的过程机理模型则是过程优化控制的关键。 目前,描述精馏过程的机理模型主要可分为两大类：基于平衡级假设的平衡级模型和基于实际传热、传质的非平衡级模型。总体而言,由于平衡级假设的引入,前者在求解上较为简单,但为了修正平衡级假设带来的误差,这一模型通常需引入经验参数板效率或等板高度,而它们的不确定性使得平衡级模型的精确度没有非平衡级模型高。针对现有空分精馏过程机理模型中存在的问题和不足,本文开展了以下工作： 1.通过大量阅读相关文献,总结了目前国内外低温空分技术发展的趋势,分析了其中对空分系统节能降耗具有较大潜力的方式,重点论述了过程优化控制的重要意义,从而间接阐明了过程机理模型对低温空分系统运行的重要意义。 2.在此基础上,系统整理了19世纪80年代以来国内外各单位所开展的过程机理模型的研究,总结了平衡级模型和非平衡级模型的发展历程,以及它们各自的特点及成功应用案例。进而,结合当前精馏动态控制的需求,介绍了在上述两个模型基础上衍生而来的不同动态模型的发展,尤其是它们在低温空气分离领域的应用,为后续研究工作的展开奠定了基础。 3.通过考虑规整填料强化传热及促进混合的特性,在非平衡级模型的基础上引入级间热平衡假设,建立了规整填料塔的混合级模型。此后,通过引入分离效率函数的方法,得到了能够采用三对角矩阵进行求解的控制方程组,这一方法不同于传统非平衡级模型求解中采用的牛顿迭代法,无需进行相关热力学函数的偏导运算,因而更为快捷有效。 4.采用Fortran语言编程实现了上述模型的求解过程,并将整个模拟结果同商业软件Aspen Plus的模拟结果进行对比,结果表明,该模型模拟结果与Aspen Plus模拟结果吻合良好,验证了整个建模及求解方法的可靠性。 5.在上述求解方法的基础上,进一步通过改变进料量、进料位置等参量,分析了模型的稳态特性。并采用基于平衡态热力学的用分析和基于非平衡态热力学的炯分析法,对相关参数分布曲线中的奇点进行了分析,从热力学角度探讨了进料量、进料位置等对精馏工况的影响。