分離塔器優化設計與操控–甲醇水溶液動態模擬模型建立

 

刊登日期:2019/10/5
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蒸餾塔之平衡模式經FRI的塔器質傳構件效率資料庫修正,建立於實際發生的二相間之質傳速率,不需要依賴猜測之效率值。模式可模擬在實際操作下氣液相負荷之變化對效率造成之影響,是非常有力的操作與控制工具。本研究之目標是在Excel-VBA平台上建立含板效率修正之蒸餾塔平衡模式。本研究已針對甲醇水溶液之蒸餾系統獨立撰寫,包括熱力學、氣液相物性、蒸餾塔數學模式以及操作介面,來應用於現場操作之導引,並利用Aspen Plus蒸餾塔平衡與速率模式進行模式的驗證。
 
本研究透過FRI所提供的塔器質傳構件效率資料庫及蒸餾塔平衡數學模式來建立可線上預測的效率計算模型。
‧前言
‧模式建立
 1. 熱力學模式與物性
 2. 蒸餾塔數學模式
‧FRI效率模型
 1. HETP與Murphree Efficiency
 2. 壓降
‧操作介面
 1. Input
 2. Guess Value
 3. Result
 4. Profiles
 5. Properties
‧驗證
 1. 不含FRI關聯式之蒸餾塔平衡模式
 2. 含FRI關聯式之蒸餾塔平衡模式
‧結論
 
【內文精選】
前言
蒸餾塔(Distillation Column)技術發展已超過百年,其學理基礎來自共通的化工理論,如熱力學、質能守恆及流體力學等,在準確的熱力學數據下如氣液相平衡,可透過化工計算得到良好的設計。其熱力學數據及蒸餾塔數學模式在市面上皆有發展成熟的軟體可使用,如Aspen Plus、ChemCAD等。而理論設計至工業實施之間,塔器設計的效率預測問題則是相對欠缺的。工業生產中可能因市場及原料的變動,造成塔器的最佳設計點改變,如何在運轉中維持最佳的設計效率是節省操作能耗的重點。為了確保蒸餾塔能高效率的運作,不因操作者過度主觀或製程變動造成能源的浪費,本研究透過FRI所提供的塔器質傳構件效率資料庫及蒸餾塔平衡數學模式來建立可線上預測的效率計算模型,並提供操作預測及產品規格預測二種模式,其運行模式如圖一所示,選擇預測模式並與現場數據連結,由效率模型及蒸餾塔數學模式疊帶運算,求得塔內分布及預測結果。
 
圖一、程式運行模式
圖一、程式運行模式
 
模式建立
1. 熱力學模式與物性
本研究牽涉物質為甲醇(Methanol)水溶液,屬於完全互溶的單相系統,使用WILSON Property Method熱力學模式,液相為Wilson活性係數模型,氣相假設為理想氣體狀態方程。本研究利用Aspen Plus提供模型與參數撰寫各性質副程式,其中包含:相平衡常數、熱焓、密度(莫耳體積)、黏度、擴散係數與表面張力。
 
2. 蒸餾塔數學模式
蒸餾塔系統流程圖如圖二所示,蒸餾塔數學模式通過各板的MESH方程式構成,即質量平衡(M)、相平衡(E)、組成莫耳分率和(S)、能量平衡(H)。
 
FRI效率模型
FRI (Fractionation Research Inc.)為美國一家非營利協作組織,以開發蒸餾設備及內部結構研究為主。本研究採用其對於結構性填充物之多年研究所建立的關聯式進行模擬運算,模式中採用FRI所提供的關聯式來計算壓降、HETP (Height Equivalent of a Theoretical Plate)及Murphree Efficiency。板效率計算由設備尺寸、填料尺寸與液氣相物性對HETP修正計算而得,關聯式中考慮不同負荷所造成的效應,包含Liquid and Vapor Back-mixing、Hump等情況。壓降計算由填料尺寸、液氣相物性與Liquid Holdup計算求得,壓降關聯式則將負荷分為四部分,分別為Low Rate、High Rate、Near Flood與Hump。壓降與板效率之負荷皆由FRI提供的判斷式決定。
1. HETP與Murphree Efficiency
HETP計算,由Following Model、Penetration Theory、Two-resistance Theory等基礎模型求得氣液相單位質傳高度,並根據負荷情況,考慮填充高度(Effect of Bed Length)、液體與氣體回混(Vapor and Liquid Back Mixing)、Hump等效應,來對HETP進行修正,其方程式如下…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:邱柏洲/淡江大學;何宗仁/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」394期,更多資料請見下方附檔。

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