多组分分离过程设计的研究

摘要

分离过程的设计通常以系统的总费用最小为目标，涉及选择适宜的分离方法，确定最优的分离序列，实现系统热集成等环节，是化工过程系统工程研究的重要问题之一。对多组分分离过程，相平衡模型及计算方法是过程设计最关键也是最复杂的环节，然而目前仍未有更简单有效的针对多组分相平衡问题的计算方法。本文在分析多组分分离过程本身特性的基础上，提出了一种基于拟二元法的相平衡计算方法，并将该法用于分离过程设计问题的研究。 1、用拟二元相平衡模型表达多组分精馏与恒沸精馏的相平衡关系，并可求取得到拟二元体系的平衡数据和平衡相图，且可直接用于多组分精馏过程的图解设计计算。提出基于迭代的拟二元逐级计算的多组分精馏塔的设计法。首先采用基于优化的逐级计算法计算每块塔板上各物质的组成，然后进行拟二元精馏过程的设计。实例研究表明：这一方法也可以容易的得到多组分精馏的最小回流比和最少理论板数；而且也适用于理想、非理想体系，对恒沸精馏该方法也能得到比较好的结果。 2、提出一种多组分精馏塔的简捷设计法。首先应用Aspen pluS软件模拟计算每块塔板上各物质的组成，然后通过VB语言编程进行拟二元精馏过程的设计，并通过软件集成使整个设计过程可以自动运行。实例研究表明，这一方法很容易得到多组分精馏的最小回流比和最少理论板数；既可以用于理想的精馏体系又可以用于非理想的精馏体系；对于有夹带剂加入的恒沸精馏过程，这一方法仍然适用。 3、针对改良西门子法多晶硅生产中尾气分离工艺操作条件苛刻的缺点，对尾气分离工艺进行改进。首先应用Aspen plus软件，将精馏、吸收、吸附等不同分离方法进行组合，确定分离尾气混合物的分离序列，并构建了四个可行的工艺流程。模拟结果表明：四个流程都可在比较温和的操作条件下达到较好的分离效果；其次用温焓图进一步分析各流程的能量利用情况，结果发现：四个流程进行热集成的意义不大，但分离所需的冷凝温度为250K，易于实现；最后比较四个流程的设备以及流程中吸收剂的加入量、主要设备的操作压力、接吸附的流股中H<,2>的摩尔分率、Q<,H，min>和Q<,C，min>的大小，最终得到了分离尾气的最佳流程。该流程在第①步中用两个闪蒸罐完成分离，用作预分离的闪蒸罐操作压力为506.6kPa；第②步的吸收过程可将H<,2>由0.89提高到0.981(摩尔分率)，吸收剂用量为278kmol/h；第③步塔顶分凝器所需温度为253K，且可将HCl比较完全的分离到塔顶；第④步吸收剂用量为111kmol/h，HCl被提纯到0.99；第⑤步为简单的二元精馏，进料混合物中仅含有SiHCl<,3>和SiCh。

目录

文摘

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0前言

1文献综述

1.1化工系统工程

1.2化工过程系统模拟

1.3化工过程系统优化与方法

1.4分离过程综合

1.4.1分离过程综合研究的意义

1.4.2分离过程综合的主要方法

1.5精馏过程

1.5.1精馏基本原理

1.5.2精馏塔的设计

1.5.3精馏模拟

1.6本文的研究目标和研究内容

2多组分拟二元相平衡

2.1引言

2.2拟二元集总组分的概念

2.3拟二元体系的相平衡方程

2.4拟二元体系的平衡相图

2.5本章小结

3基于迭代的拟二元逐级计算的多组分精馏设计法

3.1引言

3.2基于迭代的拟二元逐级计算法的设计过程

3.2.1问题的提出

3.2.2逐级计算法进行严格模拟

3.2.3拟二元法计算最小回流比

3.2.4迭代计算最小回流比

3.2.5理论板数的求取和进料板位置的确定

3.2.6计算步骤

3.3计算实例

3.3.1实例1

3.3.2实例2

3.4本章小结

4基于模拟软件的多组分精馏拟二元简捷设计

4.1引言

4.2问题描述

4.3拟二元法用于多组分精馏塔的设计

4.3.1拟二元相平衡的确定

4.3.2计算最小回流比

4.3.3验证最小回流比

4.3.4计算最少理论板数

4.3.5计算操作回流比和理论板数

4.4实例分析

4.4.1实例1

4.4.2实例2

4.4.3实例3

4.5本章小结

5改良西门子法多晶硅生产中分离工艺的研究

5.1引言

5.2确定分离序列和各步分离方案

5.2.1第①步分离方法的确定

5.2.2第②步分离H2和HCl的方案

5.2.3分离HCl、SiHCl3和SiCl4

5.2.4构建尾气分离的整体流程

5.3温焓图分析

5.4四个流程的分析与对比

5.5本章小结

6结论

参考文献

致谢