摘要 本文對萃取精餾分離技術(shù)和進(jìn)展進(jìn)行了評述，主要從萃取精餾 的溶劑選擇與設(shè)計(jì)、操作原則、操作參數(shù)對分離過程影響及萃取精 餾塔設(shè)備型式幾個(gè)方面介紹了世界上關(guān)于萃取精餾的研究情況和動(dòng) 態(tài)，并指出了混合溶劑的研究及其過程模擬是萃取精餾分離 ：藝當(dāng) 前存在的問題和今后發(fā)展的方向。 對萃取精餾分離乙酸乙酯乙醇共沸體系和苯環(huán)己烷近沸點(diǎn)體 系的溶劑選擇進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：二元混合溶劑的 分離性能優(yōu)于單一溶劑；混合溶劑( d m f + d m s 0 ) 是分離上述混合 體系的較好溶劑。運(yùn)用修正的u n i f a c 模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)， 建立了修正u n i f a c 模型預(yù)測法，研究結(jié)果表明：該方法和試驗(yàn)法 相結(jié)合是一種快速有效的萃取精餾溶劑選擇方法。首次運(yùn)用 c l a u s i u s m o s o t t i 方程闡釋了溶劑選擇性的溫度效應(yīng)，建立了能夠較 好地反映混合溶劑溶解能力的模型。 對常規(guī)間歇萃取精餾過程進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，考察了回流 比及溶劑加入速率等操作參數(shù)對該分離過程的影響。結(jié)果表明：在 同等條件下，采用適宜組成的混合溶劑所得產(chǎn)品的收率及純度均高 于采用單一溶劑；隨著溶劑加入速率和操作回流比的增加，溶劑的 回收率逐漸提高，單位產(chǎn)品的溶劑損耗量逐漸減少。另外t 建匹了 較好用的混合溶劑常規(guī)f j 歇萃取精餾過程模型，并運(yùn)用模型研究了 塔身持液及溶劑進(jìn)料板位置對該過程的影響。 用一個(gè)帶有中間貯罐的間歇精餾實(shí)驗(yàn)塔，對混合溶劑萃取精餾 過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浚塔型其有在塔頂采皆l 產(chǎn) 品，同時(shí)在塔底采出混合溶劑的特點(diǎn)，尤其適合于溶劑比大的分離 過程。建立了帶有中間貯罐的混合溶劑刪歇萃取精餾過程的恒摩爾 持液模型，并運(yùn)用兩點(diǎn)隱含法求解該模型，結(jié)果表明，模擬計(jì)算結(jié) 果與。典驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 關(guān)鍵詞：間歇萃敬精餾r + 1 問貯罐模擬修j fu n i f a c 模型 c 1 a u s i u s m os o t t i 方程混合溶劑操作參數(shù) a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h et e c h n o l o g ya n dp r o g r e s so fe x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n w e r es u m m a r i e d s e l e c t i o na n d d e s i g n o f s o l v e n t s ，d i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o nf o re x t r a c t i v ed is t i l l a t i o nc o l u m n s ，o p er a t i o n a lp o l i c i e s a n de f f e c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r sons e p a r a t i o nw er ei n t r o d u c e d ，a n d t h ec u r r e n td i s a d v a n t a g e sa n dt h ed e v e l o p m e n td ir e c t i o no fe x t r a c t i v e d i s t i l l a t i o ni nf u t u r ew e r ep o i n t e do u t s o l v e n ts e l e c t i o ni st h ek e yp r o b l e mf o re x t r a c t i v ed is t i l l a t i o na n u m b e ro fb i n a r ym i x e ds o l v e n t sf o rs e p a r a t i o no fb e n z e n e c y c l o h e x a n e a n de t h y la c e t a t e e t h a n o lw e r ee x a m i n e d r e s p e c t i v e l y i nav l e e x p e r i m e n ta p p a r a t u s t h ei n t e g r a t e d p r o p e r t i e so ft h eb i n a r ym i x e d s o l v e n tw e r ei n v e s t i g a t e da n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ec o r r e l a t e db y m o d i f i e du n i f a cm o d e l i tw a sf o u n dt h a tb i n a r ys o l v e n ti ss u p e r i o rt o s i n g l es o l v e n t ，t h eb i n a r ym i x e ds o l v e n tc o m p o s e do fd m fa n dd m s o w a so n eo ft h eb e s ts o l v e n t sf o rs e p a r a t i o no fb e n z e n e c y c l o h e x a n ea n d e t h y la c e t a t e e t h a n 0 1 t h ep r e d i c t i o nb ym o d i f i e du n i f a cm o d e l c o n f o r m e db ye x p e r i m e n t s 、i sar a p i d ，a c c u r a t ea p p r o a c hf o rs e l e c t i o n f o re x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eon s o l v e n t ss e l e c t i v i t yw a ss e tf o r t hb yc 1 a u s i u s m o s o t t ie q u a t i o na n da b e t t e r s o l u b i l i t yp a r a m e t e r m o d e lw a ss e t u p f o r s e l e c t i n g a v j c e s o l v e n t ar e g u l a rb a t c he x t r a c t i v ed is t i l i a t i o np r o c es s ess e p a r a t i n gc l o s e b o i l i n ga n da z e o t r o p i cm i x t u r e sw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ，t h ee f f e c t o fo p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha sr e f l u xr a t i oa n ds o l v e n tf e e dr a t eont h e s e p a r a t i o np r o c e s sw a si n v es t i g a t e d a l lt h e s ef e a t u r esw e r ei l l u s t r a t e d ， w i t ht h ei n c r e a s eo ft h er e f l u xr a t i 0a n df l o wr a t e0 ft h es o l v e n t s ，t h e r e c y c l e r a t e0 fs o l v e n t si si n c r e a s e d i n a d d i t i o n ，t h epr o c e s s w a s s i m u l a t e dp e r f e c t l y ， am i d d l e - v e s s e lb a t c he x t r a c t i v ed is t i l l a t i o np r o c e s sw a ss t u d i e d e x p e r i m e n t a l l ya n ds i m u l a t e db y c o n s t a n tm o l a rh o l d u pm o d e l a m i d d l e v e s s e lb a t c hc o l u m nh a sb o t ha ne n r i c h i n ga n ds t r i p p i n gs e c t i o n a n dt h u sb o t had is t i l l a t ea n db o t t o mp r o d u c t i tr e q u i r e s am u c h s m a l l e rr e b o i l e rc o m p a r e dw i t hr e g u l a rc 0 1 u m n ，a sw ecanc o n t i n u a l l y r e m o v ea n dr e c y c l et h ee x t r a c t i v ea g e n t t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s a g r o u po fs t i f fe q u a t i o n sa n dr e s o l v e db yt w op o i n ti m p l i c i tm e t h o d ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa g r e ew e l lw i t hs i m u l a t i o n k e y w o r d s ： b a t c he x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n ；m i d d l ev es s e l ；s i m u l a t i o n ； m o d i f i e du n i f a cm o d e l ；c l a u s i u s m o s o t t ie q u a t i o n ；m i x e ds o l v e n t o p e r a t i n gp a r a m e t e r s 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得丕注盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論 文中作了明確的說明并表示了謝意。 一簽銹長豸吖 簽字日期：沙一亭年1 月、弓日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)鑫盜盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。司意學(xué) 校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 一簽名霧皇叫 一期秒，月侮f 導(dǎo)師簽名 簽字日期：年月日 第章文獻(xiàn)綜述 第一章文獻(xiàn)綜述 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，世界的化學(xué)工業(yè)已經(jīng)由一般化學(xué)工業(yè)向精 細(xì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展，即大批量通用基礎(chǔ)材料生產(chǎn)向既生產(chǎn)基礎(chǔ)材料又 生產(chǎn)小批量多品種的專業(yè)產(chǎn)品發(fā)展【1 i ，這一生產(chǎn)特征必然決定化工工 藝的多樣化，從而也給萃取精餾等工業(yè)分離過程提出了更高更廣的 要求。 萃取精餾技術(shù)出現(xiàn)至今已有近六十年f 2 l 的歷程，它的出現(xiàn)解決了 應(yīng)用常規(guī)蒸餾技術(shù)分離近沸點(diǎn)和恒沸物系工藝的非常不實(shí)際和不經(jīng) 濟(jì)的問題，即即使應(yīng)用常規(guī)蒸餾技術(shù)能夠達(dá)到分離要求，辦需要大 量的塔板數(shù)和很高的回流比，從而造成高能耗等嚴(yán)重后果 卜5 i 。萃耿 精餾工藝特點(diǎn)是在普通精餾基礎(chǔ)上，加入第三組分萃取劑( 辦叫 溶劑) ，改變被分離關(guān)鍵組分之間的相對揮發(fā)度，從而分離共沸物或 沸點(diǎn)相差微小的物系，目前，萃取精餾分離工藝基本以連續(xù)精餾的 形式，“泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)【6 - ，自從b e r g 于19 8 5 年提出分批萃 取精餾方式以來1 1o l ，萃取精餾技術(shù)又有了更廣的發(fā)展和應(yīng)用潛力， 因?yàn)檩腿【s技術(shù)正好符合前面提到的當(dāng)今化學(xué)工業(yè)發(fā)展趨勢的特 征。間歇萃取精餾技術(shù)結(jié)合了間歇精餾和萃取精餾的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備投 資小，可用相對連續(xù)精餾盡量少的塔設(shè)備分離多組分混合物為多個(gè) 產(chǎn)品，且與共沸精餾比，萃取精餾溶劑選擇范圍大，操作靈活：同 變壓精餾比，更經(jīng)濟(jì)合理，對于解決制藥、精細(xì)化工等行業(yè)中普通精 餾無法完成的較小處理量物系分離有廣泛的應(yīng)用前景。 1 1 萃取劑分類及萃取劑互溶性規(guī)律 萃取精餾分離工藝主要針對組分揮發(fā)度相近或能形成恒沸物的 物系。在這些物系中，由于0 i 同組分的分子結(jié)構(gòu)不同，加入萃耿劑 后，萃取劑分子和物系中不同分子發(fā)生不同的作用，于是不同程度 地改變這兩個(gè)紐分的揮發(fā)度從而增人了它們之問的籌別。一般的工 業(yè)生產(chǎn)中，萃取精餾塔大多是在常壓或壓力不高的條件下操作，汽 相可以近似看作理想氣體，其逸度系數(shù)接近于1 ，因此萃取劑的加入 主要是改變液相中各絹分分子之間的作用力，從而改變各組分的活 度系數(shù)。萃取刺一般均為 艇好的溶劑，所以辦叫作溶劑。 第一章文獻(xiàn)綜述 萃取精餾過程中，萃取劑與分離體系中組分( 注：萃取劑與被 分離組分在本節(jié)以下的敘述中均稱為溶劑) 之間的作用力主要是較 強(qiáng)的氫鍵力和較弱的范德華力。氫鍵力與化合鍵力的作用能相比當(dāng) 然是很小的，故嚴(yán)格的說仍屬于范德華力，但由于它在分子問力常 占有較大的份額，因此一般作單獨(dú)討論。從生成機(jī)理出發(fā)，氫鍵是 由一個(gè)氫原子和兩個(gè)電負(fù)性原子結(jié)合而構(gòu)成的，如a h b ，此處a 和b 是電負(fù)性原子，“”表示氫鍵，它是一種方向性的強(qiáng)作用力。 范德華力則包括了取向能，感生能及色散能，其相對氫鍵力是很小 的。形成氫鍵的必要條件：既要有電子接受體，又要有電子給予體。 按生成氫鍵能力，可將溶劑分為蹦種類型： ( 1 ) n 型溶劑：它們不能形成氫鍵，分子電負(fù)性非常小。如苯、壞 己烷、四氯化碳等，也稱作惰性溶劑。 ( 2 ) a 型溶劑：即受電子溶劑。如鹵代烴等，可形成氫鍵。 ( 3 ) b 型溶劑：即給電子溶劑。如酮、醛、醚、酯等，可形成氫鍵。 ( 4 ) a bi 型溶劑：給受屯子溶劑。如水、醇、酸、胺等等，可形成 氫鍵。 ( 5 ) a b i i 型溶劑：生成內(nèi)氫鍵的給受電子溶劑。如鄰硝基苯酚等， 己形成內(nèi)氫鍵，故性質(zhì)同n 型或b 型溶劑相似。 對于各類溶劑間相互溶解的規(guī)律，迄今為止還沒有普遍適用的 定量規(guī)律，一般可用相似性規(guī)律作為判別互溶度大小的參考。相似 性原理：性質(zhì)相似的物質(zhì)易于相互溶解。所謂相似，一是指結(jié)構(gòu)相 似，其中包括分子的組成官能團(tuán)形態(tài)的相似；一是指分子之問的作 用力要相近，也就是能量相近。深入具體而言，通?？赏ㄟ^形成氫 鍵的情況來判斷，由于形成氫鍵是釋放能量的過程，如果混合以后 生成氫鍵數(shù)目比混合以前多或強(qiáng)度更大，則有利于互溶，反之則不 然。具體有以下幾種情況。 ( 1 ) a b 型溶劑和n 型溶劑：幾乎不相溶，因?yàn)槿芙庖茐臍滏I。 ( 2 )a 型溶劑和b 型溶劑：由于混合后生成氫鍵，特別易于相互溶 解。 ( 3 )a b 與a ，a b 與b ，a b 與a b 型溶劑：混合前后均有氫鍵，互溶 情況要根據(jù)氫鍵數(shù)目和強(qiáng)度變化具體分析。 ( 4 )a 與a ，b 與b ，n 與n ，a 與n ，b 與n 型溶劑：混合前后都無氧鍵， 互溶情況視范德華力變化情況而定，即與分子偶極矩及極化率 有關(guān)。 第一章文獻(xiàn)綜述 1 2 萃取劑的性質(zhì)及選擇 萃取劑的選擇是萃取精餾分離過程能否實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)效果如何的 首要問題。工業(yè)生產(chǎn)中溶劑的選擇首先要求萃取劑對被分離物系組 分有較高的選擇性，一般其對應(yīng)評價(jià)參數(shù)為萃取劑的選擇性參數(shù)s ， 大多數(shù)情況下，其值等于溶劑存在情況下，輕重關(guān)鍵組分的相對揮 發(fā)度比值：其次，還要求溶劑與原組分之涮有較大的互溶度，以防 止液相為非均相，影響傳質(zhì)和傳熱：另外還要求溶劑具有以下性質(zhì) 。1 2 l ： 1 、 具有較高的沸點(diǎn)，不與原組分形成共沸物： 2 、 具有一定的熱穩(wěn)定性，在分離過程中不發(fā)生聚合或分解： 3 、 具有足夠低的凝固點(diǎn)； 4 、 不和被分離組分發(fā)生反應(yīng)； 5 、 不腐蝕設(shè)備，無毒，易回收； 6 、 價(jià)格適宜，來源豐富。 1 2 1 單一溶劑和混合溶劑 萃取劑從組成上分為單一溶劑和混合溶劑兩大類，在實(shí)踐應(yīng)用 過程中，單一溶劑往往存在自身選擇性與溶解性矛盾的問題，即具 有高選擇性的溶劑一般常常和原組分之間的相互溶解能力較弱，反 之亦然，單一溶劑的這一弱點(diǎn)限制了萃取精餾技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展， 于是人們開始了使用混合溶劑進(jìn)行萃取精餾的研究，并取得了良好 的效果?；旌先軇┚褪窃趩我蝗軇┗A(chǔ)上再加入一種或一種以上的 組分構(gòu)成新的溶劑，加入的組分稱為副溶劑j ，其主要作用就是在 保證原單一溶劑高選擇性的前提下，改善原單一溶劑的溶解性。副 溶劑的要求同單一溶劑，另外，副溶劑，強(qiáng)調(diào)具有使體系完全互溶的 能力且與原單一溶劑容易分離。它的溶解能力主要通過組分的極性 來表現(xiàn)，其對應(yīng)評價(jià)參數(shù)為介電常數(shù)，副溶劑選取過程中，它的介 電常數(shù)要適宜，不能太大，也不能太小。介電常數(shù)大，叩極性強(qiáng)， 則與整個(gè)體系互溶性差，難以消除第二液相，此時(shí)若要改善整個(gè)體 系的溶解狀況，需要提高分離溫度，消耗大量能量；介電常數(shù)小， 即極性弱，則削弱原單一溶劑的選擇性。對于有機(jī)物體系分離，人 們一般采用有機(jī)物作為溶劑；而對于含水共沸物的分離，一般使用 第一章文獻(xiàn)綜述 加鹽萃取精餾，加鹽萃取精餾用的塔相剝較少，節(jié)能效果好，但缺 點(diǎn)是分離設(shè)備需要較高防腐費(fèi)用 。 1 2 2 萃取劑的選擇 目前，萃取劑的選擇方法主要分為兩大類：一類是經(jīng)驗(yàn)法、組 分熱力學(xué)性質(zhì)法和試驗(yàn)法相互結(jié)合的常規(guī)選擇方法；這平中綜合方法 準(zhǔn)確，但耗時(shí)長，篩選溶劑范圍窄。一類是通過計(jì)算機(jī)手段和信息 處理理論所衍生的先進(jìn)的選擇方法。目前國內(nèi)外具體研究與應(yīng)用情 況敘述如下： f 1 ) 經(jīng)驗(yàn)方法 因?yàn)檩腿【s過程的實(shí)現(xiàn)主要依靠溶劑與被分離關(guān)鍵組分分子 問作用力的差異，該種方法以拉烏爾定律為依據(jù)，分子刪作用力越大， 對拉烏爾定律的偏差越大。通過一定的前提假設(shè)，將常見的有機(jī)物按 偏離拉烏爾定律的程度與方向( 正偏差、接近理想、負(fù)偏差) 進(jìn)行 分類，并制成表格。已經(jīng)發(fā)表和應(yīng)用的選取萃取劑經(jīng)驗(yàn)方法有 e w e l l e 15 1 方法、r o b b i n s l a 【16 1 方法和d p t a s s r o n s l l7 】方法等。 ( 2 ) 熱力學(xué)方法 基于熱力學(xué)模型，建立定性定量選擇萃取劑的的理論方法，已報(bào) 道了p r a u s n i t z & a n d e r s o n理論【”j ，正規(guī)溶液理論 s c a t c h a r d h i l d e b r n a d 法19 1 ，無限稀釋活度系數(shù)y 。法 2 0 】，宮能團(tuán) u n i f a c 法【2 “，官能團(tuán)a s o g 法 2 2 ，溶解度參數(shù)m o s c e d 法 2 3 1 等多種 利用各類熱力學(xué)模型計(jì)算的方法。 由于萃取精餾過程中存在的物系大都為非理想性極強(qiáng)的體系，所 以大多數(shù)不以官能團(tuán)作為基礎(chǔ)模型參數(shù)的熱力學(xué)方法在選擇萃取溶 劑的過程中，局限性很強(qiáng)。因此，這些方法發(fā)展速度較慢或不再進(jìn) 行。對于有機(jī)溶劑而言，它們雖然種類繁多，但基本是由兒十種基 團(tuán)所構(gòu)成。目前，通過應(yīng)用官能團(tuán)相互作用參數(shù)值預(yù)測組分和混合 物比較流行的方法是u n i f a c 法。 ( 3 ) 計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)方法( c a m d ) 時(shí)下流行的計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)方法( c a m d ) ，根據(jù)其算法依 據(jù)，分為以下幾種算法：內(nèi)部作用法、基本性質(zhì)限制法、集合法、 數(shù)學(xué)模型程序法和最近出現(xiàn)的以達(dá)爾文進(jìn)化淪假設(shè)為理論根據(jù)的一 種比較準(zhǔn)確新近的優(yōu)化溶劑方法基岡算法【24 1 。內(nèi)部作用法晌缺點(diǎn) 第一章文獻(xiàn)綜述 是需要設(shè)計(jì)人員有豐富的專業(yè)知識和相關(guān)知識，基本性質(zhì)限制法、 集合法、數(shù)學(xué)模型程序法雖然克服了上者的缺點(diǎn)，但卻都含有計(jì)算 量大，且結(jié)果不可靠的通病?；蛩惴ňC合了上述算法的優(yōu)點(diǎn)，無 疑是一種相對科學(xué)的選擇法。但所有c a m d 算法均是根據(jù)對于萃取 劑性質(zhì)的具體要求主動(dòng)地合成與設(shè)計(jì)具有最好選擇性的萃取劑分子， 而往往這樣的萃取劑目前般并不存在，且經(jīng)常在完成萃耿劑分子的 設(shè)計(jì)之后，還要丌發(fā)與研究這種新結(jié)構(gòu)萃取劑的化學(xué)合成及工業(yè)生產(chǎn) 方法，完全依賴和受制于基團(tuán)貢獻(xiàn)法準(zhǔn)確度。進(jìn)一步說，計(jì)算機(jī)輔 助分子設(shè)計(jì)方法主要研究分子如何生成等問題，而對于不同的基團(tuán) 如何影響溶劑的選擇性則不予研究，只是通過枚舉法進(jìn)行大量運(yùn)算。 即使這樣，基于c a m d 算法優(yōu)化溶劑范圍廣、速度快這一特點(diǎn)，c a m d 算法有著其它選擇溶劑算法不可比擬的優(yōu)越性，該算法選擇設(shè)計(jì)溶 劑的步驟大體分為以下四步【2 5 j ： 1 ) 熱力學(xué)模型計(jì)算溶劑的選擇性s ； 2 ) 在一些合理的假設(shè)前提下，簡化分離過程，通過模擬計(jì)算，得到 分離過程所需理論塔板數(shù)及加入的熱量負(fù)荷； 3 )結(jié)合溶劑要求，淘汰不符合規(guī)定的溶劑； 4 )考慮進(jìn)料板位置、溶劑比、回流比等因素，對分離過程進(jìn)行進(jìn)一 步優(yōu)化，最后選定溶劑。 ( 4 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法( a n n ) a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 方法建立在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)技術(shù)研 究成果的基礎(chǔ)上，借鑒神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，針對其它學(xué)科和研 究領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象、簡化、模擬，是一種高級的、先進(jìn)的新型信 息處理和計(jì)算系統(tǒng)。a n n 技術(shù)方法與定量分子結(jié)構(gòu)一性質(zhì)關(guān)系式 ( q s p r ) 及定量結(jié)構(gòu)一活度系數(shù)關(guān)系式( q s a r ) 相結(jié)合預(yù)測化合 物各種理化性質(zhì)的模型 2 6 - 3 0 1 的研究與建立在最近十年有了令人鼓舞 的發(fā)展，但由于系統(tǒng)處理過程中參數(shù)的選取缺乏全面性以及可利用 的數(shù)據(jù)有限，所以仍處于探索性研究的初步階段。即使這樣，人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法( a n n ) 無疑是未來一種具有廣闊發(fā)展前景和應(yīng)用潛 力的優(yōu)選方法。 ( 5 )試驗(yàn)方法 試驗(yàn)選擇溶劑的方法相對上述方法是最為準(zhǔn)確的，但是從經(jīng)濟(jì) 性方面而言是非常不合理的：投資大，周期長。它是通過氣相色譜 等設(shè)備測定體系汽液平衡數(shù)據(jù)或無限稀釋溶液的活度系數(shù)【3 1 。3 3 】，從 第一章文獻(xiàn)綜述 而實(shí)現(xiàn)對溶劑的篩選。試驗(yàn)方法主要包括：停留時(shí)刪法、穩(wěn)態(tài)法、 沸點(diǎn)升高測定法和稀釋器技術(shù)法3 4 1 等方法。前三種方法僅適用于純 溶劑的選取，稀釋器技術(shù)法不僅適用于純?nèi)軇┑倪x取，而且適用于 混合溶劑的選取，使用更為普遍。 1 3 萃取精餾的分類、操作模式及規(guī)則 萃艤精餾主要分為連續(xù)精餾和間歇萃取精餾二大類 1 3 1 連續(xù)萃取精餾 圖1 3 1 連續(xù)萃取精餾工藝流程示意圖 f i g 1 3 - 1c o n t i n o u sc o l u m nc o n f i g u r a t i o nf o re x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n 連續(xù)萃取精餾的特點(diǎn)是進(jìn)料、加入溶劑、溶劑回收在分離過程 中均為穩(wěn)態(tài)連續(xù)的，連續(xù)萃取精餾一般至少采用兩個(gè)塔操作，見圖 1 3 1 ，塔1 為萃取精餾塔，塔2 為溶劑回收塔。被分離物料f 由萃 取精餾塔中部連續(xù)加入塔內(nèi)，溶劑s 則由靠近塔頂部的位置連續(xù)加 入，輕關(guān)鍵組分l 由萃取精餾塔頂餾出，重關(guān)鍵緝分h 和溶劑由塔 底餾出，然后進(jìn)入溶劑回收塔進(jìn)行溶劑回收，來自網(wǎng)收塔的溶劑循 環(huán)送至萃取精餾塔進(jìn)行再利用。人們對于連續(xù)萃取精餾分離工業(yè)技 術(shù)的研究已經(jīng)較為成熟和全面，關(guān) j 連續(xù)萃取精餾塔的特性、操作、 控制及設(shè)計(jì)等在文獻(xiàn)及專利中已經(jīng)火量論述，且很多物系的分離己 第一一章文獻(xiàn)綜述 經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。到目前為止，連續(xù)萃取精餾分離工、i t 技術(shù)的研究 主要集中在以下幾大類物系的分離：芳烴及其衍生物的分離【”1 ： 醇的分離及提純 4 2 - 4 4 ；有機(jī)酸的分離1 45 1 ：烯烴和烷烴的分離 4 6 。4 7 等。連續(xù)萃耿精餾雖然操作容易，但設(shè)備投資大，與前面所述的當(dāng) 代化工生產(chǎn)特點(diǎn)和萃取精餾的意義不太適宜，經(jīng)濟(jì)性較差。 1 3 2 間歇萃取精餾 1 ，3 2 i 一次加料方式間歇萃取精餾 根據(jù)萃取劑加入方式，間歇萃取精餾i q 分為一次加料方式和連 續(xù)加料方式。一次加料方式間歇萃取精餾實(shí)在操作過程中，摹取劑 一- 次性加入含有物料的塔釜再沸器中，然后按間歇精餾操作，由于 萃取劑一般均為沸點(diǎn)較高的物質(zhì)，故萃取劑主要在再沸器中發(fā)揮其 改變輕重關(guān)鍵組分相對揮發(fā)度的作用，對物系分離效果較差，且隨 組分餾出，釜液組成發(fā)生改變，所需萃取劑量需增加才能保證產(chǎn)品， 因此雖然此操作可行，但經(jīng)濟(jì)價(jià)值低，故實(shí)際研究應(yīng)用較少。 1 3 2 2 連續(xù)加料方式萃取精餾 連續(xù)加料方式萃取精餾是在操作過程中，萃取劑從靠近塔頂位 置連續(xù)加入，為了減少萃取劑用量及操作可行，l a n g ，p 等人提出連 續(xù)加入方式的四步操作法【4 8 】： 1 、不加入萃取劑情況下的全回流操作： 2 、 連續(xù)加入萃取劑情況下的全回流操作，此步目的是為了充分發(fā) 揮萃取劑作用，分離混合物系，降低難揮發(fā)組分在塔頂含量， 提純塔上段精餾段的產(chǎn)品濃度； 3 、 連續(xù)加入萃取劑情況下的有限回流比操作，塔頂餾出產(chǎn)品； 4 、無萃取劑加入狀況下的有限回流比操作，回收萃取劑。 常規(guī)間歇萃取精餾操作靈活，設(shè)備簡單，可通過一個(gè)塔分離出 多個(gè)產(chǎn)品和回收溶劑，但是，由于分離操作過程中，萃取劑在回收 之前需要保留在再沸器中，這就要求再沸器有足夠火的體積。而運(yùn) 用帶有中問貯罐的間歇精餾塔進(jìn)行萃取精餾工藝的出現(xiàn) 4 9 1 ，很好地 解決了這一問題，因?yàn)檫\(yùn)用這種工藝，在產(chǎn)品分離過程中，萃取劑 被不斷采出回收，所以大大減輕了再沸器負(fù)荷，從而減少了設(shè)備投 第一章文獻(xiàn)綜述 資，尤其適合于難分離、需采有大溶劑比分離體系；另外，帶有中 間貯罐的f 剛歇萃取精餾塔由于物料一次性加入中間貯罐早，因此可 在相對常規(guī)間歇萃耿精餾操作時(shí)間短的情況f 同時(shí)得到三個(gè)產(chǎn)品， 塔頂餾出輕關(guān)鍵組分，塔底回收萃取劑，中間貯罐累集并最終得到 濃度較高的重關(guān)鍵組分。帶有中問貯罐的f r j 歇萃取精餾塔操作原理 及步驟基本與連續(xù)加料方式常規(guī)萃取精餾相同，但與后者相比，操 r 0 2 ：= ：慧莖：陸。2 = ：。0 麓；竺警姒e ( 盤r d d 。2 喀o p t i 酗m i ：z e 磁d 圖1 3 - 2 帶有不同流型中間貯罐的萃取精餾塔示意圖 f i g s t r e a mc o n f i g u r a t i o n sa tt h em i d d l es e c t i o n 作控制復(fù)雜。帶有中間貯罐的間歇萃取精餾塔根據(jù)中間貯罐的汽液 流動(dòng)情況，可以分為五種，如圖l - 3 2 所示，目前，國內(nèi)外學(xué)者大都 以塔a 作為研究對象，因?yàn)檠芯窟^程中，塔a 中的中間貯罐可假設(shè) 為一塊發(fā)生液泛的塔板，試驗(yàn)及模擬過程較其它塔型簡單容易。以 塔a 為例，主要操作工藝如下： 1 1中f n j 貯罐向再沸器中不斷加入被分離混合物，同時(shí)靠近塔頂部不 斷加入萃取劑： 2 )分離過程前半程，塔頂和塔底同時(shí)餾出輕關(guān)鍵組分和回收的溶 劑：分離過程后半程，停止溶劑加入，分離鶯關(guān)犍組分和溶劑。 另外，最近田玉峰、白鵬【5o 】等提出了帶塔底儲罐的分批萃取精 餾和伴有簡單蒸餾回收的分批萃取精餾兩種新的操作方法。在帶塔 底儲罐的分批萃取精餾操作過程中加入的萃取劑和塔內(nèi)回流液直 接流入塔底儲罐，不再返回塔釜：而伴有簡單蒸餾回收的分批萃取 第一章文獻(xiàn)綜述 精餾操作過程中除兼具了前者的特點(diǎn)外，又增加r 精餾過程中同時(shí) 進(jìn)行溶劑簡單回收這一操作手段。他們提出的方法給間歇萃取精餾 工藝拓展了新的發(fā)展方向。 1 3 3 萃取精餾操作規(guī)則 人們通過大量實(shí)驗(yàn)，通過優(yōu)化，總結(jié)了針對四個(gè)問歇萃取精餾操作 步驟的最佳操作規(guī)則【5 1 1 ，分別為： f 1 1盡量短的時(shí)間內(nèi)，操作達(dá)到穩(wěn)態(tài)，塔內(nèi)各組分濃度不再變化： f 2 )在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，塔頂輕組分濃度達(dá)到最大值： ( 3 1在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，塔頂合格產(chǎn)品盡量餾出最大值； ( 4 1在盡量短的時(shí)間內(nèi)，完成重關(guān)鍵組分和溶劑的分離。 其中，操作步驟第二步和第三步是控制步驟，它們所需時(shí)問的 長短和分配決定整個(gè)流程的優(yōu)劣。另外，雖然操作過程中后三步中 每一步變回流比操作比恒回流比操作效果好，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，但實(shí)際操 作不易控制，因此，實(shí)踐中一般均采取恒回流比操作。 1 4 操作參數(shù)對萃取精餾的影響 萃取精餾的成功實(shí)現(xiàn)受制于萃取精餾操作參數(shù)的選擇。大量的 實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果表明 5 2 - 55 i ：1 ) 萃取劑進(jìn)料位置的選擇對分離過程有 重要影響，一般越靠近塔頂分離效果越好，而且只有靠近塔頂位置 附近幾塊板作為進(jìn)料板才能使塔頂產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定要求，進(jìn)料板位置 越遠(yuǎn)離塔頂，則相對而言，全塔萃取段長度變小，萃取劑與被分離 混合物作用時(shí)間變小，分離效果越差；太靠近塔頂，上升蒸汽將夾帶 更多的雜質(zhì)進(jìn)入冷凝器，降低產(chǎn)品濃度。2 ) 混合物進(jìn)料板位置選擇 要合理，進(jìn)料板位置越接近再沸器，塔頂產(chǎn)品純度越高，太低容易 發(fā)生液泛。3 ) 萃取劑進(jìn)料溫度要適宜，一般采用泡點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料溫 度太高，則易產(chǎn)生上升蒸汽量過大，卜- 降流液中重關(guān)鍵組分被過量 氣化，夾帶進(jìn)入冷凝器，降低產(chǎn)品純度：進(jìn)料溫度太低，易使塔頂 冷凝器冷凝速度跟不上，輕關(guān)鍵組分不能完全液化，間接造成進(jìn)入 冷凝器中的重組分增加。4 ) 混合物進(jìn)料溫度對產(chǎn)品餾出質(zhì)量和數(shù)量 影響不大，混合物進(jìn)料溫度越高，操作步驟第一步耗時(shí)越少。5 ) 萃 取劑進(jìn)料速率越大，即溶劑比越大，分離效果越好，但不能太大， 第一章文獻(xiàn)綜述 太大會(huì)導(dǎo)致較高的溶劑回收費(fèi)用。6 ) 回流比也要選擇適當(dāng)，回流比 越高，產(chǎn)品純度越高，但過高的回流比將會(huì)消耗太多的能量，經(jīng)濟(jì) 上不合理。 1 5 間歇萃取精餾的可行性分析 間歇萃取精餾的可行性分析是指在間歇萃取精餾過程中，通過 加入萃取劑是否能較好地完成對難分離物系的分離，從而得到目的 產(chǎn)品。其將為萃取精餾的最終實(shí)現(xiàn)提供重要的設(shè)計(jì)及操作參數(shù)，如 最小回流比、最小理論板數(shù)、最小萃取劑比等。由于間歇萃取精餾 過程中，餾分和釜液組成始終處于動(dòng)態(tài)變化中，因此其可行性分析 僅在瞬間有效【5 6 ，即只要被分離體系在工藝操作過程中保證處于 種特定狀態(tài)范圍，則這種操作方式是可行的。 目前，我們在進(jìn)行實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜難分離物系分離任務(wù)的初步預(yù) 測和規(guī)劃時(shí)，一個(gè)最好的優(yōu)先選擇的初步設(shè)計(jì)方法是殘余曲線圖分 析，殘余曲線的提出已經(jīng)有一百多年的歷史了【5 “。通過殘余曲線圖 分析，我們可以得到粗略的滿意的分離工藝評價(jià)，尤其在任務(wù)實(shí)施 的初期，綜合考查效果勝過直接使用過程模擬軟件1 58 。 殘余曲線的建立來自于一個(gè)簡單蒸餾實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)敞開的蒸餾 釜中，一個(gè)待分離的多元液體混合物被慢慢地加熱至沸騰并維持沸 騰狀態(tài)，不同組成的氣體被連續(xù)地蒸出。由于蒸餾速率是緩慢的， 故可假設(shè)，在任一時(shí)刻，蒸出的氣體和留在釜中的液體始終處于相 平衡狀態(tài)，且氣相和液相組成隨時(shí)間推移連續(xù)的改變；一條單一的殘 余曲線表示的是一確定釜液組成伴隨時(shí)間的變化，而一個(gè)完整的殘 余曲線圖是許多不同蒸餾組成的殘余曲線的集束【5 。殘余曲線圖分 析已經(jīng)成功地應(yīng)用到復(fù)雜非理想體系的分離工藝，如萃取精餾及其 沸精餾等。殘余曲線圖只是建立于體系的物理性質(zhì)：氣液平衡數(shù)據(jù)、 液液平衡數(shù)據(jù)和溶解度數(shù)據(jù)，殘余曲線具有方向性，體系溫度沿著 殘余曲線走向逐漸上升。殘余曲線的起點(diǎn)只能是純組分點(diǎn)或共沸物 點(diǎn)，除純組分點(diǎn)和共沸物點(diǎn)外，殘余曲線不能彼此相交，殘余曲線 l 的液相組成和相應(yīng)的平衡氣相組成的連線與殘余曲線相切1 6 0j 。 殘余曲線方程： 第一章文獻(xiàn)綜述 魯一，1 f_1，2，cl(1-5-1) 式中：f 是相對時(shí)間，一和y ，是組分i 的平衡氣液相組成【6 ?！癹 。 在不同的原料組成初始值下，通過解微分方程，可以得到一組 殘余曲線。由方程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x 一y 時(shí)，方程有奇異解。這些奇 異解就是殘余曲線上的頂點(diǎn)或交點(diǎn)，它們分別表示純組分、一元共 沸物或三元共沸物。以它們作為端點(diǎn)把殘余曲線圖劃分為不同的蒸 餾區(qū)域。蒸餾區(qū)域內(nèi)殘余曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)，沒有殘余曲線 經(jīng)過的點(diǎn)為鞍點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)又分為穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)和不穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)，殘余曲線的 走向均為遠(yuǎn)離不穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)而趨向穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)。另外，在任一蒸餾區(qū)域 中，殘余曲線都不通過鞍點(diǎn)，鞍點(diǎn)是蒸餾區(qū)域內(nèi)的中問沸點(diǎn)點(diǎn) 6 3 1 。 殘余曲線的優(yōu)點(diǎn)在于不用通過大量計(jì)算，只需少量數(shù)據(jù)，通過 殘余曲線拓?fù)?，我們可以初步地選擇溶劑，進(jìn)行產(chǎn)品組成分析，確 立單元操作順序及進(jìn)行工藝可行性判斷。殘余曲線可通過d o h e r t y 和 p e r k i ns 法，以連續(xù)方式計(jì)算描繪。目前，應(yīng)用軟件a s p e ns p l i t m 6 4 和a s p e np l u s m 6 5 1 能夠較好地完成三元或四元物系的殘余曲線圖 分析。 由于l 日j 歇萃取精餾分離工藝是削歇精餾和萃取精餾兩種分離工 藝的集成，因此對其操作的具體可行性分析也是著眼于上述兩種工 藝。b e r n o t 【6 6 。6 7 】在研究多組分間歇精餾時(shí)，利用三元共沸相圖及釜 液線，定義了問歇精餾分離共沸物系的界限及可行的精餾操作區(qū)域。 另外，還研究了同系的萃取劑分離共沸物系的情況，但是，他沒有 考查萃取劑連續(xù)加入對分離過程的影響。w a h n s c h a f f t 【6 “”】對連續(xù)萃 取精餾的操作可行性進(jìn)行了深入的研究，考察了不同操作參數(shù)對連 續(xù)萃取精餾分離過程的影響。而對于間歇萃取精餾，由于操作過程 葉 ，因?yàn)檩腿┑牟粩嗉尤?，釜液和塔板持液組成隨時(shí)問連續(xù)變化， 因此連續(xù)萃耿精餾可行性分析方法，只適用于分離過程的某一時(shí)刻， 不能應(yīng)用于整個(gè)過程。 s a f r i t 4 9 1 在前人工作的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)萃取精餾可行性理論， 物系進(jìn)一步發(fā)展了間歇萃取精餾可行性理論。通過對連續(xù)加入方式 操作的問e t 歇萃取精餾的萃取精餾段進(jìn)行物料衡算，發(fā)現(xiàn)所確的操作 線( 物料平衡) 均交于夾緊點(diǎn)，如圖1 5 1 所示，從點(diǎn)出發(fā)，作 持液線的切線，然后將這些切線連接，便形成了夾緊點(diǎn)曲線，由 第一章文獻(xiàn)綜述 點(diǎn)曲線 c 圖1 5 1 b e d 的可行性區(qū)域與不可行性區(qū)域 f i g 1 5 1f e a s i b i l i t ya n dn o n f e a s i b i l i t yr e g i o nb yb e d 夾緊點(diǎn)曲線和三角形邊線圈定的區(qū)域( 圖中陰影部分) 足萃耿精 餾的不可行區(qū)域。但是，l a n g 7 0 1 在試驗(yàn)中驗(yàn)證，通過s a f r i t ；法劃分的 有些不可行區(qū)域在實(shí)際操作過程中仍可以繼續(xù)工作，因此，上述方 法必須加以修正。 圖1 5 2b e d 的i ，j - 行性區(qū)域與不j 行性區(qū)域 f i g 1 - 5 2f e a s i b i l i t ya n dn o n f e a s i b i l i t yr e g i o n b yb e d ( k a n p p ) 第一章文獻(xiàn)綜述 b e r n o t 通過研究三元物系殘余曲線圖發(fā)現(xiàn)，如果在萃取精餾操作 起始階段就連續(xù)加入萃取劑，不能起到分離共沸物系的效果，所以， 對于連續(xù)加入萃取劑方式的萃取精餾工藝，茸先應(yīng)進(jìn)行不加萃取劑 k a n p p 【7 3j 在對恒回流比條件下的間歇萃取精餾操作可行性的研 究中發(fā)現(xiàn)，部分回流條件下鞍點(diǎn)sz 將萃取三角行圖分成四個(gè)部分，如 圖1 5 2所示，其中區(qū)域i 、i i 是可行的間歇萃取精餾操作區(qū)：區(qū) 域i i i 、為不可行的間歇萃取精餾操作區(qū)。 f j g 4n 講1 - r e a c 【l v ek c mf 0 1m e o h + m e & c b u o h1 一b u a ca t 1 0 1 3k p a 圖1 5 - 3 非反應(yīng)四元物系殘余曲線圖 f i g1 5 3n o n r e a c t i v er c mf o rm e o h + m e a c + b u o h + b u a ca t 1a t m j i m e n e z ”1 以一個(gè)四元( m e a c + b u o h + m e o h + b u a c ) 非反應(yīng)均 相物系為例進(jìn)行了準(zhǔn)確的殘余曲線圖可行性分析。如圖1 5 3 所示， 結(jié)果表明，四元混合物存在兩個(gè)精餾區(qū)域，其中，甲醇( m e o h ) 和 乙酸甲酯( m e a c ) 形成的二元共沸物為一個(gè)不穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)，丁醇( b u o t t ) 和乙酸丁酯( b u a c ) 為兩個(gè)穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)；存在的四種可行精餾順序決 定所期望的目的產(chǎn)品。上述兩個(gè)方面決定了萃取精餾實(shí)現(xiàn)所需的萃 取劑。 i 6 間歇萃取精餾的模擬計(jì)算 1 6 1 間歇萃取精餾的模擬計(jì)算的意義 化工過程分析與計(jì)算機(jī)模擬是現(xiàn)代化學(xué)工程( 主要指精餾分離過 第一一章文獻(xiàn)綜述 程和反應(yīng)過程等化工工藝) 研究和實(shí)踐的重要手段。通過對過程的 分析和模擬可以加深對過程的理解和認(rèn)識，進(jìn)而掌握過程的變化趨 勢，縮短過程研究和開發(fā)的進(jìn)程，從而大大地增加經(jīng)濟(jì)效益。從一 定意義上說，過程模擬是在計(jì)算機(jī)輔助下對化工過程分析的繼續(xù)， 無論是對實(shí)際存在的過程，還是尚未建立的過程，過程模擬都具有 很重要的現(xiàn)實(shí)意義。對于已有的化工過程，在不允許改變工藝條件， 可通過較準(zhǔn)確描述該過程的數(shù)學(xué)模型來加以考察；對于還沒有建立 和丌發(fā)的化工過程，則可通過過程模擬進(jìn)行探索和推斷，以獲得建 立該化工過程所需要的大量參數(shù)，減少大量的人力和物力浪費(fèi)。簡 而言之，化工過程模擬的關(guān)鍵在于建立一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的代表該過程 的數(shù)學(xué)模型。 1 6 2 化工過程模擬的作用和局限性 1 6 2 1 化工過程模擬的作用 7 5 】 l 經(jīng)濟(jì)上合算：為了設(shè)計(jì)的目的，用模擬技術(shù)將基本的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù) 組合成數(shù)學(xué)模型較之建立中制工廠通常更為便宜。同時(shí)，中刪 試驗(yàn)的作用反過來轉(zhuǎn)變?yōu)闄z驗(yàn)和修f 已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型，最 終目的是利用少量數(shù)據(jù)對實(shí)際化學(xué)工程工藝進(jìn)行模擬評估。 2 研究系統(tǒng)參數(shù)和過程干擾對操作的影響，計(jì)算機(jī)仿真是一種簡單 合理的方法。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，利用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)過程這 一方法，可阻有效地改變和改進(jìn)生產(chǎn)條件( 如進(jìn)料組成及狀態(tài)、 操作條件等) ，提高經(jīng)濟(jì)效益。 3 計(jì)算機(jī)模擬是過程特性外推和過程放大的一種合理的方法。通過 計(jì)算機(jī)過程模擬可以靈活方便地在不同的過程方案中進(jìn)行比 較，還可以對不同控制系統(tǒng)進(jìn)行估價(jià)和對設(shè)備進(jìn)行安全核算。 4 有助于研究人員理解和掌握過程的行為和機(jī)理：要建立一個(gè)準(zhǔn)確 的數(shù)學(xué)模型，人們必須對該過程具有深刻的專業(yè)知識和很高的 數(shù)學(xué)水平。通過解出模型，深入地了解該過程參數(shù)和設(shè)備變量 之間關(guān)系。 1 6 2 2 化工過程模擬的局限性【7 6 1 1 缺乏良好的數(shù)據(jù)和過程機(jī)理的知識：過程模擬的成敗在很大程度 上取決于研發(fā)人員所擁有的關(guān)于過程的基本數(shù)據(jù)，另外還要求 第一章文獻(xiàn)綜述 有扎實(shí)的專業(yè)知識。 2 建模需要深厚的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，從而實(shí)現(xiàn)刑數(shù)學(xué)模型的求解，但 往往化工專業(yè)研究人員難以解決某些非線性方程組及非線性偏 微分方程組等數(shù)學(xué)問題。 3 由于建立一個(gè)過程數(shù)學(xué)模型的前提一般要做一些假設(shè)，由此會(huì)造 成通過模型計(jì)算得到的結(jié)果含義過多。 4 過程模擬軟件的開發(fā)，包括數(shù)學(xué)模型的建立等，需要一定的人力 和物力投入才能完成，且資源投入量隨著過程復(fù)雜程度的增加 而加大。 5 對于目前還不能建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，或是雖然能夠建立數(shù) 學(xué)模型，但由于無法利用當(dāng)今數(shù)學(xué)手段來求解，計(jì)算機(jī)過程模 擬無法發(fā)揮其作用。 綜上所述，雖然計(jì)算機(jī)化工過程模擬存在一些目前還無法很好解 決的弊病，但由于其強(qiáng)大的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性，必將在化學(xué)工業(yè)過程 的可行性及操作的優(yōu)化等方面發(fā)揮積極作用，存在無限的發(fā)展?jié)摿Α?1 6 3 精餾過程模擬的分類和構(gòu)造 精餾模擬過程按操作系統(tǒng)運(yùn)行狀念分為兩大類：一類是穩(wěn)態(tài)過程 模擬，一類是非穩(wěn)態(tài)( 動(dòng)態(tài)) 過程模型 7 7 - 7 8 】。兩者之間的區(qū)別在于 不含有或含有自變量時(shí)間參數(shù)。 建立數(shù)學(xué)模型是過程分析的一個(gè)非常重要的組成部分，其建立一 般步驟見圖l 一6 1 ，建模過程中應(yīng)著重解決一下兩個(gè)方面：一個(gè)是建 立的模型計(jì)算結(jié)果是否與已存在的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合并能夠完成建模目 的；一個(gè)是計(jì)算方法是否得當(dāng)乃建模的合理的假設(shè)提出。 建立過程數(shù)學(xué)模型的基本要素包括：過程變量及其變化范圍；可 用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；數(shù)學(xué)表達(dá)式；固定參數(shù)；可能的邏輯式及約束條件； 初始條件等。 1 7 間歇萃取精餾過程模擬的發(fā)展?fàn)顩r i9 0 2 g l o r dr a y l e i g h 7 9 1 提出第一個(gè)拙述無持液二元物系簡單分批 精餾塔的塔釜初始進(jìn)料量、塔釜組成和氣相組成之間關(guān)系的精餾過 程方程，由于假設(shè)過于簡單，與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)，只能作很粗略 第一章文獻(xiàn)綜述 圖卜6 一l建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟 f i g 1 - 6 - 1t h ep r o c e s so fe s t a b l is h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e 的估算。隨后，人們又不斷總結(jié)和建立了大量的關(guān)于分批精餾過程 的數(shù)學(xué)模型。b o g a r t 于19 37 年提出一種建立在恒餾分組成前提下的塔 設(shè)計(jì)方法。不久又出現(xiàn)了以恒回流比為操作策略的過程模擬模型。 在上個(gè)世紀(jì)四十年代至六十年代