催化精餾過程的模擬
作者：浙江創興化工設備有限公司 來源：//48jz.cn 更新時間：2022-7-11 10:19:37 點擊次數：
催化精餾過程的模擬
催化精餾過程的數學模型主要有級模型和微分模型，級模型又可分為平衡級和非平衡級模型。
1 平衡級模型
Lavejkov等以離子交換樹脂為催化劑，在全回流操作的條件下，提出了一個催化酯化反應精餾過程的簡化數學模型。在推導數學模型時假定：
(1)全塔共有包括再沸器和冷凝器在內的N個平衡級；
(2)每個平衡級可視為一個小全混反應器；
(3)氣液兩相處于相平衡；
(4)反應熱全部被物料吸收，無熱損失；
(5)過程為定常態；
(6)反應僅發生于液相；
(7)反應達到化學平衡。
求解時，用兩點隱式法先將微分方程轉化為差分方程，再與相平衡和化學平衡方程聯解并采用0法收斂，得到了塔內各級上的溫度、組成和氣液流率分布。該模型簡單，計算量小，但由于對過程作了較大簡化，因而使用上受到很大限制，而且計算結果準確度也不高。但可用此法對過程作初步估算，或為更嚴格計算方法提供初值。鮑杰等針對非均相MTBE催化精餾過程的結構特點，提出了4參數結構分析模型，建立了3對角矩陣化的改進松弛法數學模型方程及算法，在收斂加速機制上提出新的改進技術。對齊魯石化研究院的合成MTBE催化精餾過程中的全部實驗，包括2 000 t／a工業試驗進行模擬，計算結果與試驗結果吻合良好。該數學模型經過結構參數和基礎數據修正后，原則上可以用于其他結構形式物系的非均相催化精餾過程的模擬。
2 非平衡級模型
20世紀80年代中期Kri shnamurthy和Taylor首選提出用于填料塔和板式塔的非平衡級模型。該模型以雙膜理論來描述塔內塔板上氣液兩相在相界面上的傳遞過程，假定氣液兩相界面上處于平衡，對氣液兩相分別進行物料衡算和能量衡算，建立模型并進行聯解，從而避免了估算塔板效率或等板高度。隨后鄭宇翔和許錫恩等在物料衡算中加入反應項，將該模型推廣應用于催化反應精餾過程。他們在推導模型方程時假定：
1)過程為定常態；
2)反應僅在催化劑表面發生；催化劑表面與液相主體的溫度和濃度相同；
3)氣液相界面均勻，氣相和液相主體完全混合；
4)任一級中各點的傳質速率相等，混合效應可忽略；
5)全塔共N級平衡級，冷凝器和再沸器被視為平衡級。許錫恩等采用自測的氣膜和液膜傳質系數，用牛頓一拉夫森算法對過程進行計算，通過逐步增加非平衡級數，以塔段較少時的解作為塔段較多時的初值，
非平衡級模型由于考慮了氣液兩相傳質傳熱阻力，方程個數大大增加。由于收斂域隨方程數增加激烈縮小，因此非平衡級模型不僅計算量比平衡級模型大得多，而且初值設置也變得非常苛刻。
微分模型
1989年，張瑞生等“劬提出了多組分非均相催化精餾過程的數學模型，該模型不同于以往的級模型，是分布參數模型。在推導數學模型時假定：
1)無徑向濃度梯度；
2)傳質阻力主要存在于氣液界面，相內和液固間傳質阻力可以忽略；
3)反應熱全部被物料吸收，無熱損失；
4)氣液兩相在界面處于平衡
5)反應僅發生于反應段液相；
6)過程為定常態。任取一微元段床層，對各段行物料衡算，即得各組分的物料衡算微分方程。此外，模型還包括焓平衡方程、歸一化方程、相平衡方程、動力學方程、氣液平衡常數、氣液兩相的摩爾焓和活度系數的計算公式等。對于反應動力學未知的快速可逆反應，可用化學平衡方程代替動力學方程。對于未達到化學平衡的反應，用該法可求得沿塔最大轉化率和平衡濃度分布。也可以通過實驗測得反應的效率因子，并用效率因子對平衡反應量進行修正。
以上是有關催化精餾過程模擬計算的問題，與均相反應精餾相比，催化精餾的模擬計算研究得還不夠充分。尤其對于非均相過程的傳質、傳熱問題，目前的文章大多僅考慮氣液間的傳遞現象而忽略了液固傳質的影響。此外，由于反應動力學方程的強非線性，反應精餾有可能存在多定態問題，這方面也值得作進一步研究。
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