反应精馏过程模拟仿真软件开发

第6卷第4期　　　　　　　　JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYFORNATIONALITIESVol.6No.4

(NaturalScienceEdition)　　　　　　　　　　　　　　　　　Nov.20002000年11月

文章编号:1007-0311(2000)04-0272-03

反应精馏过程模拟仿真软件开发

唐正姣1,韦藤幼2,童张法2Ξ

(11广西民族学院化学化工系,广西南宁　530006;21广西大学化学化工学院,广西南宁　

530004)

摘　要:

以VisualC++为编程工具,开发了一个新的反应精馏模拟软件SRD.该软件具有良好的用户界面,解决了由于反应体系在低温下出现分层现象,塔顶馏出物进入分相器,自分相器出口的有机相返回入塔中的催化精馏过程的模拟问题.

关键词:反应精馏;模拟;乙酸丁酯

中图分类号:TQ02811+3　　　文献标识码:A

0　引言

反应精馏技术将反应与分离过程在一个塔内实现,相对传统的先反应后分离过程具有转化率高、选择性好、操作易、投资省等一系列优点,但反应精馏过程需同时遵循质量作用定律和精馏分离原理,其过程影响因素复杂.自20世纪70年代以来,有关反应精馏的研究重点从工艺转向数学模拟.现已开发有灵活可靠的过程模拟计算软件[1].另一方面,自20世纪70年代末催化精馏技术成功地应用于甲基叔丁基醚(MTBE)生产以后,该技术的应用受到了学者们的关

模拟计算模块的设计.大部分过程模型模拟为一般的

反应精馏塔模拟.文献[2]报道的工艺流程如图1,塔顶馏出物进入分相器,分相器出口的有机相返回入塔中.从图1知,塔顶没有液相回流,从精馏原理上说是不行的,但由于实际塔设备保温不可能很好,塔顶会有蒸汽冷凝下来,从而可以实现汽液相回流.在理论计算中,塔顶必须有回流.从而设想A、B两种工艺流程,见图2和图3.

注.童张法等[2]成功研究了催化精馏生产乙酸正丁酯的新工艺.本文以该工艺为研究重点,开发了基于Windows的反应精馏模拟仿真软件SRD.

1　过程数学模型和求解方法

设计反应精馏过程仿真软件的核心部分是过程

收稿日期:2000206210.

作者简介:唐正姣(19722),女,广西全州人,广西民族学院化学化工系教师.

图1　乙酸正丁酯试实验工艺流程简图　　图2　工艺A流程简图

Ξ

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2000年第4期　　　　　　　●唐正姣,等󰃗反应精馏过程模拟仿真软件开发

对由方程(1)～(6)组成的数学模型(此时无液液

平衡及循环回流流股),学者们已提出不少算法.文献[3]修正的Newton-raphson法具有收敛稳定,迭代变量少等优点,为此,本文采用修正的部分Newton-Raphson法[4]计算,对循环物流计算问题用序贯模

图3　工艺流程简图

图4为反应精馏塔中任一理论级的通用模型.为便于多方案操作条件的选择.本文模型的每一理论级上,均可有进料、侧线采出、反应和热量的交换.若假定反应在液相中进行,分相器中的两相达到液液相平衡,则可得到下述方程组:

(1)物料衡算方程(M方程)　Fjzi,j+Vj+1yi,j+1+Lj-1xi,j-1-(Vj+VSj)yi,j-(Lj+LSj)xi,j+8jΑ(1)irj=0　　(2)相平衡方程(E方程)

(2)yi,j-Ki,jxi,j=0分相器所在级的相平衡方程由液液相平衡方程代替.

(3)归一方程(S方程)

块法,切割变量的收敛采用Wegstein法.计算步骤如下:

(1)读入塔操作条件;

(2)用Wegstein法校正断裂变量;(3)液液平衡分离计算;(4)作热力学计算求各级汽相组成、温度与反应速率;(5)做物料衡算求液相流率;(6)用N-R法更新组分浓度;

(7)组分质量衡算方程余差是否满足精度要求,若否,转步骤2;

(8)计算汽液相焓;

(9)用Wegstein法校正汽相流量;

(10)是否满足收敛准则,若否,转步骤2;(11)输出计算结果,结束.

∑x

∑y

FjH

Fj

i,j

-1=0-1=0

H

Lj-1

(3)(4)

-(Vj+VSj)HVj

(5)

2　软件功能介绍

本软件的计算部分用VisualC++1.52语言编

程,软件界面开发也用该语言,这样可利用VisualC++内的AppStudio应用程序方便地进行菜单、对

i,j

　　(4)焓衡算方程(H方程)

+V

j+1

H

V

j+1+L

j-1

-(Lj+LSj)HLxj+Qj=0

焓值的计算以在相同温度下压力为01101MPa时形成各组分分子的各元素稳定单质为基准态.

(5)反应动力学方程(R方程)

dxi,jrj==f(k,x1,x2,…,xc)

dt

(6)

话框、加速键等的设计.本文设计的SRD软件用户界面由四个菜单组成,如表1所示.

表1　SRD软件菜单功能

菜　单File

命　　令OpenCloseExit

Calculate

FlowDiagramOperatingConditionsTemperatureProfiles

功　　能

激活打开文件对话框清除屏幕内容退出应用程序

显示模拟计算流程图

激活输入操作条件和结果文件对话框

得到塔内温度分布曲线

Flowrate

Analyze

Vapor󰃗LiquidProfiles

ReactionRateProfilesConcentrationProfiles

Help

AboutSRD

得到汽液相流率沿塔的分布曲线

得到反应速率沿塔的分布曲线

得到汽相或液相浓度分布曲线

3　结论

图4　平衡级模型任一理论级示意图

本文设计的软件以Windows为操作平台,具有良好的用户界面,解决了类似催化精馏生产乙酸正丁

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广西民族学院学报(自然科学版)　　　　　　　2000年11月　第6卷

酯特殊工艺的仿真研究问题,可为该工艺的工业化生产提供理论指导,也可用于一般的反应精馏过程模拟研究.

[参　考　文　献]

[1]VanktaramanS,ChanWK,BostonJF.ReactiveDistillationUsingASPENPLUS[J].Chem・Eng・Progr,1990,86(8):45-54.[2]唐张法.连续催化反应精馏生产醋酸正丁酯的方法及设备[P].中

符号说明:

F　进料流量,Kmo.ls-1　　　　　　　Z　进料组成分数,摩尔分数H　焓,KJ.Kmol-K　相平衡常数L　液相流量,Kmo.ls-Q　热负荷,KJ.s-1

1

1

1

1

国专利:ZL9410840511,1997.

[3]唐正姣,韦藤幼,童张法.反应精馏过程平衡级模型计算方法比较

[A].化工工艺研究进展——第六届全国化工工艺学术会议论文

希腊字母Ρ　化学计量系数8　持液量,上角标F　进料L　液相V　汽相

1

1

LS液相侧线流量,Kmo.ls-

集[C].北京:化学工业出版社,1998,525-528.

[4]张瑞生.板式反应精馏塔的模拟计算——修正的Nenston-Raphson法[J].华化工学院学报,1989,15(1):25-28.

.s-R　反应速率,Kmo.lm-3液V　汽相流量,Kmo.ls-VS汽相侧线流量,Kmo.ls-x　液相组成分数,摩尔分数y　汽相组成分数,摩尔分数

下角标i　组分标号j　级号

[责任编辑　黄祖宾][责任校对　曹满仙]

SoftwareDevelopmentofSimulatingReactiveDistillationProcesses

122

TANGZheng2jiaoΚWEITeng2youΚTONGZhang2fa

≅11DepartmentofChemistryandChemicalEngineeringΨGuangxiUniversityforNationalitiesΨNanning530006ΨChina[21SchoolofChemistryandChemicalEngineeringΨGuangxiUniversityΨNanning530004ΨChinaΣ

mulatingreactivedistillationprocesseswasdevelopedbyuseofVisualAbstractΠAnewsoftwareSRDofsi

C++.Thesoftwarehasagooduserinterface.Itsolvedtheproblemofsimulatingaspecialcatalyticdistillation.AsfortheprocessΚthestuffdistillatedonthetopofthetoweriscooledtosomecertaintemperatureΚprocess

.ThelatterthentransportedtoadecanterinwhichdistillationissplitintotwophasesΚorganicandaqueousphasesisrecycledtothecatalyticdistillationtower.

mulationΜN2butylacetateKeyWordsΠReactivedistillationΜSi(上接第271页)

[参　考　文　献]

[1]严蔚敏.数据结构[M].北京:清华大学出版社,1992.

[2]尹立民.VsiualBasic6.0多媒体使用与开发指南[M].北京:人民

[责任编辑　黄祖宾][责任校对　曹满仙]

邮电出版社,1999.324.

ThePartitionAlgorithmAnditsImplement

GELi2na

≅ModernEducationTechnologyCenterΨGuangxiUniversity

forNationalitiesΨNanning530006ΨChinaΣ

AbstractΠThepartitionAlgorithmisanalgorithmofseekingthebestresult.Itskeytechnologyis

:recursionΦ.WhencodingaRecursiveAlgorithmΚweshouldtransferanoriginalproblemtooneorseveralsub-problemsandfindoutstoppingcondition.Thebestresultwouldberecordedinthisalgorithm.

PartitionΜRecursivealgorithmKeyWordsΠRecursionΜ

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