流体振荡器气泡碎化特性数值模拟

为了探究流体振荡器中气泡碎化特性,采用重整化群(RNG) k-ε湍流模型和流体体积函数(VOF)多相流模型研究流体振荡器中的气液两相流。通过数值模拟分析了气泡在流场中的变形和破碎行为,考察不同流动参数对气泡破碎的影响。同时进行可视化实验,用实验结果验证了模拟的准确性。结果表明,流体振荡器可作为一种新型气泡发生装置。振荡频率越高,流体振荡器中的气泡碎化效果越好;随着液速增大,气泡变形程度加剧,破碎概率增加,生成子气泡也越多;剪切应力和涡流碰撞是导致气泡破碎的主要机制;射流振荡促使气泡向振荡腔壁面偏移,气泡初始直径越大,水平偏移量越大,越容易发生破碎。

萃取精馏制取无水乙醇过程不同节能方案的对比

以乙二醇为萃取剂从乙醇-水体系制取无水乙醇产品。基于流程模拟软件,对常规萃取精馏过程以及双效萃取精馏、分割式热泵萃取精馏、隔壁塔萃取精馏和内部热集成萃取精馏等4种节能工艺进行模拟及优化。设计规定如下:无水乙醇中乙醇质量分数不低于99.5%,回收的萃取剂中乙二醇质量分数不低于99.9%,废水中的质量分数为99.5%以上。在相同的设计基础和设计要求下,获得各流程最优的操作参数,并从节能效果及经济性分析对比4种节能工艺。结果显示:相比于常规萃取精馏过程,虽然内部热集成萃取精馏工艺可将能耗降低14.1%,节能效果最佳,但双效萃取精馏过程总成本最低,年均总成本可降低7.2%,是最具经济性的工艺过程。本研究为乙醇-水体系萃取精馏分离工艺的工业化提供了设计基础和理论依据。

热泵辅助变压精馏分离碳酸二甲酯/甲醇工艺及系统模拟优化

针对传统变压精馏工艺分离碳酸二甲酯(DMC)/甲醇(MeOH)共沸物存在的高能耗问题,提出了基于热泵辅助的改进变压精馏工艺,并探索了不同热泵方案的可行性和经济性。该研究在ASPEN PLUS模拟平台上进行。首先,设计出传统的热集成变压精馏工艺(H-PSD),并通过塔总组合曲线分析了传统工艺用能瓶颈和工艺改进方向;然后,提出了4种不同型式的热泵辅助的改进工艺,并通过模拟技术取得不同方案的设计参数;最后,采用组合曲线和经济性分析相结合的方法,比较了不同热泵方案的节能效果和经济性。研究表明,各种热泵方案中,基于中间再沸器的蒸汽再压缩式热泵的节能效果及经济性最好。与传统热集成变压精馏比较,过程能耗降低了24.31%,年均操作费用降低了29.43%,年度总成本可降低12.58%,体现了热泵辅助工艺的良好节能效果和经济性。

基于损失分析的反应精馏塔板上反应体积的优化设计

针对以选择性为主要目标的反应精馏塔设计中反应段塔板上反应体积或催化剂的分配问题,提出一种基于热力学损失分析和流程模拟计算相结合的优化设计策略。为了深层次分析反应精馏塔板上损失的原因并为制定调优方向提供理论依据,将塔板上的总损失区分为物理损失和化学损失两部分并分别进行计算。在此基础上,将建立的损失计算方法和流程模拟技术相结合,将反应段塔板上的反应体积的分配和对应的损失分布相关联,以再沸器热负荷最小为目标,通过建立的方法对反应体积的分配逐步调优,可实现反应精馏塔的优化设计。方法的有效性通过环氧乙烷水合制乙二醇反应精馏体系进行了验证。结果表明,与普遍采用的塔板上等反应体积分配的设计方法相比,通过本文建立的优化分配方法,可使系统的能耗降低18%以上,同时结果优于文献值。

数据驱动的设备时变可靠度评价及故障预测

针对化工设备的可靠性随时间或载荷作用次数等寿命指标发生变化这一问题,在传统可靠性模型基础上构造了一种考虑设备运行影响因素的可靠度评价方法,可处理化工设备的运行工况、载荷、应力和强度等参数随时间变化的可靠性计算问题。该方法首先利用传统威布尔分布可靠性模型对设备进行可靠性评价,计算设备的可靠性参数;采用灰色关联分析选择影响威布尔分布模型参数的主要因素,然后应用响应面法,在基于威布尔分布的失效速率模型中引入设备运行的影响因素,建立多变量故障失效速率模型,在此基础上对设备进行时变可靠度评价,并对设备进行简单的故障预测。最后将该方法应用于某化工设备,对其进行时变可靠度评价和设备故障时间预测,验证了该方法的有效性。

均相/非均相催化精馏合成乙二醇单丁醚控制分析与比较

以环氧乙烷和正丁醇合成乙二醇单丁醚为例,开展了均相和非均相两种催化精馏工艺的稳态模拟、动态行为和控制研究,比较分析了两种工艺的特点。在Aspen Plus模拟平台上取得精馏塔稳态模拟数据,采用相对增益矩阵(RGA)对均相和非均相催化精馏塔进行分析,确定了双温度控制回路。在Aspen Dynamics中建立了控制方案,在添加正丁醇进料摩尔分数±10%的阶跃扰动下,考察了催化精馏塔的动态响应及控制效果。研究结果表明,均相和非均相催化精馏工艺均能达到控制要求,但非均相反应体系控制方案有更快的动态响应、更小的扰动变化量,并能更早恢复到设定值,其原因在于非均相工艺不存在催化剂浓度变化因素。

基于可靠性分析的公用工程操作优化

针对公用工程系统,基于可靠性分析提出新型的操作优化方法。该方法结合关键设备故障分析,采用系统的数学手段计算公用工程系统由于设备故障所产生的所有可能的操作状态及其概率。每一个状态进行单独的操作优化,其经济评价与该状态的概率相加权,以此获得系统整体经济评估。此方法中,设备的操作策略得到优化,如冷备用、热备用、负荷共享等。操作成本与设备故障造成的生产损失成本得以权衡。与传统的优化方法相比,该方法可获得更低的系统总成本。

考虑内部热集成的乙二醇反应精馏系统设计与优化

针对环氧乙烷水合制乙二醇反应精馏过程反应热的利用和系统能量更大集成问题,提出一种将反应段和提馏段分割、从反应段移出热量供提馏段加热的内部热集成反应精馏塔(R-HIDiC)的设计。利用Aspen Plus模拟软件,分析了内部热集成的可能性,优化了内部热交换量及其分布,给出了一种不需要再沸器的能量最大集成方案。研究表明,与传统的反应精馏塔相比,通过对内部热集成进行优化,乙二醇反应精馏塔可取消再沸器,系统需要的能量只由环氧乙烷水合反应热和外部压缩机提供,其操作费用将降低约47.2%,总费用将降低约39.1%,体现了其技术和经济优越性。

管式振荡流反应器的流动模式研究 (II)高振荡强度下的流动模型和模拟

根据高振荡强度下的粒子成像流场可视化实验结果,在分析振荡流场中漩涡结构特征的基础上,提出用带有二次流区的全混腔室和室间返混的多釜串联模型来表征高振荡强度下的管式振荡流反应器流动特性。根据停留时间分布实验结果,运用小生境遗传算法优化求解模型参数与振荡参数之间的定量关系。模拟计算表明,优化后的模型给出的停留时间分布曲线与实验结果吻合良好。

管式振荡流反应器的流动模式研究(Ⅰ)PIV和RTD实验研究

采用粒子成像可视化(PIV)技术研究了管式振荡流反应器(OFR)内的流场形态和混合特点,并采用脉冲进样法测定了OFR在不同振荡条件下的停留时间分布函效。实验结果表明,OFR的混合特性十分复杂,并随振荡强度的变化呈现出不同的特征。振荡强度较低时,振荡使得OFR径向混合加强,减少了滞留区, 流体的流动趋于平推流;振荡强度较高时,腔室内布满数目、尺寸和位置不断变化的漩涡,使每个腔室趋向于全混,腔室间的返混增大。实验数据与多级串联全混釜模型的比较结果显示,OFR的混合特性远非简单流动模式模型所能表征。

正反馈式流体振荡器内部流动特性的数值模拟

为探索正反馈式流体振荡器内部流动特性,建立了正反馈式流体振荡器的三维数值模型。采用数值模拟的方法对流体振荡器的内部流动特性进行了研究,通过监测特征点的压力变化和特征面的质量流率变化,对振荡器的内部流动过程进行量化并分析其内部的流动过程和原理。结果表明,在柯恩达效应和涡流的共同作用下,该正反馈式流体振荡器内部流场呈周期性振荡,振荡腔和反馈通道中的流体流动过程具有良好的周期性和稳定性,且频率与振荡器振荡频率一致。

管式反应器合成乙二醇单乙醚工艺的模拟研究

为了开发新的乙氧基化工艺,提出和建立了三段管式反应器中试装置,用于乙醇乙氧基化反应合成乙二醇单乙醚(EGMEE)的模型开发和实验研究,并在Aspen Plus软件平台上开展了装置运行的模拟研究。考察了环氧乙烷(EO)加料位置、进料流量、醇烷比和换热方式等关键操作条件对环氧乙烷转化率、目标产物选择性及反应器热点温度的影响规律,得到优化的操作模式和操作参数。研究表明:管式反应器内反应和换热呈现复杂的耦合行为,沿管EO浓度分布是影响原料转化率、乙二醇单乙醚选择性、反应热移出和装置安全性的关键因素,采用EO多段加料和反应器多段冷却是提高装置稳定性和安全性的重要措施。

液-液喷射器性能优化及内部流动特性分析?

为了探索液-液喷射器的性能优化问题,改变喷射器喷嘴结构和射流类型,设计并建立了4种喷射器的三维模型,采用大涡模拟方法对4种模型进行模拟,得到各喷射器的内部流动特性及工作性能。工作流体从喷嘴射入吸入室,压力沿轴线呈现对称性的下降趋势,使得引射流体被卷吸进入喷射器并与工作流体进行掺混。随着两股流体的混合,势流核心区缩小,中速流体区域扩大,最终在扩散段内完成混合。通过分析各喷射器的内部流动特性,比较出4种喷射器的性能优劣。结果表明:椭圆喷嘴脉冲射流喷射器的卷吸性能、混合性能、效率均优于其他3种喷射器。

隔壁精馏塔分离乙二醇丁醚混合物的模拟与节能分析

针对乙二醇丁醚混合物的特征和分离要求,提出用隔壁精馏塔(DWC)分离混合物的工艺,并利用Aspen Plus模拟技术开展塔的优化设计与节能分析。首先设计出分离混合物的传统双塔工艺,在此基础上对DWC进行设计与优化。为了考察DWC工艺的可行性和节能效果,研究采用能量衡算和损失分析2种方法对系统的用能特性进行分析。结果表明,相比于传统双塔工艺,DWC的再沸器负荷、冷凝器负荷分别减少了27. 4%、32. 4%,总【火用】损失减少了33. 7%,体现了DWC工艺的节能优势。

考虑不同产品选择性目标的乙醇胺反应精馏塔模拟与优化

提出以环氧乙烷和液氨为原料,水为催化剂,反应精馏塔合成乙醇胺的工艺。分别以一乙醇胺(MEA)和二乙醇胺(DEA)的选择性最大为目标,探讨了在同一反应精馏塔中实现不同产物选择性目标的可行性和可达到的最大选择性。研究在Aspen Plus模拟软件上进行,通过考察操作压力、水进料量、进料氨烷比、再沸比、环氧乙烷进料位置等参数对反应精馏的影响规律,取得实现不同产物选择性目标的参数优化调节方法。研究表明,大的氨烷比、水进料量和再沸比有利于提高MEA选择性,小的氨烷比、水进料量和再沸比则有利于提高DEA选择性,在优化条件下,MEA选择性可达70.30%,DEA选择性可达41.89%。与文献方法比较,采用反应精馏合成乙醇胺具有明显的优越性和操作柔性。

三乙胺为催化剂正丁醇乙氧基化过程模拟与分析

研究了以三乙胺为催化剂,正丁醇乙氧基化反应合成乙二醇单丁醚(EGMBE)的可行性和反应动力学行为。依据建立的催化反应动力学模型,模拟考察了体积为10 L、带冷凝回流的连续搅拌釜式反应器中的反应行为,取得优化的操作参数,并将模拟结果和实验结果进行比较。在优化条件下环氧乙烷的转化率达到99.2%,EGMBE选择性为68.2%,约有2.6%的环氧乙烷被Hoffman消去副反应及N,N-二乙基乙醇胺乙氧基化副反应消耗。研究表明,与传统的正丁醇钠催化剂比较,由于存在Hoffman消去副反应,三乙胺为催化剂条件下环氧乙烷的反应速率和乙二醇单丁醚的选择性均更低,工艺经济可行性的关键是回收更多有价值的副产物。

转子流道倾斜式的外驱旋转压能交换器性能研究

为提高外驱式旋转压能交换器性能,设计了转子流道倾斜式的外驱式旋转压能交换器,以能量回收效率和体积混合率为性能指标,利用商业CFD软件Fluent对模型求解计算,并与直流道外驱式旋转压能交换器模拟数据对比分析。结果表明,处理量相等的情况下,能量回收效率和体积混合率均随转子转速的升高而降低;同一转速下,转子倾斜角度改变,能量回收效率变化不超过0.04%,而对体积混合率有明显影响。研究结果对于提高外驱式旋转压能交换器设备性能具有一定指导意义。

旋转式压力交换器流体能量损失研究

为探究旋转式压力交换器运行过程中流体能量损失规律,以外驱式旋转压力交换器为研究对象,采用数值模拟方法对模型的湍流耗散率进行模拟研究。研究结果表明,转子在低压区转动时,海水侧流体能量损失先降低后升高,浓盐水侧逐渐降低;转入低压密封区,流体能量损失集中在海水侧,范围逐渐向浓盐水侧扩散;进入高压区后,海水侧流体能量损失逐渐下降,浓盐水侧逐渐升高;转子在高压密封区运行时,流体能量损失集中于浓盐水侧,能量损失范围向海水侧扩散。研究结果对旋转式压力交换器结构优化具有一定指导意义。

四产品Kaibel隔壁精馏塔分离丙二醇混合物的模拟与节能分析

研究了包含甲醇、水、丙二醇和二丙二醇四组分混合物的分离问题,针对混合物的特征和分离要求,提出四产品Kaibel隔壁精馏塔的分离工艺,并利用Aspen Plus软件对Kaibel塔进行设计与节能分析。首先,设计了分离四组分混合物的三塔精馏流程(TCD)和热集成三塔精馏流程(HTCD);其次,开展了四产品Kaibel塔分离四组分混合物的模拟研究,取得了满足分离要求的塔设计参数;最后,采用能量衡算和?损失分析相结合的方法,对Kaibel塔的用能特征进行了分析和比较。研究表明,与热集成三塔精馏流程相比,四产品Kaibel塔在操作费用方面不占优势,但在设备投资方面具有明显优势,可以实现在一个塔内四组分的分离,总?损失可降低9.41%。

持液量对乙二醇单乙醚催化精馏的影响及塔板的优化设计

提出以环氧乙烷和乙醇为原料、乙醇钠为催化剂,均相催化精馏合成乙二醇单乙醚的工艺。应用Aspen Plus模拟软件和Cup-Tower水力学分析软件,研究了塔板持液量对催化精馏过程的影响,建立了一种基于水力学可行的催化精馏塔板优化设计方法。模拟分析表明,塔板持液量对催化精馏过程有重要影响,过小的持液量将导致原料的转化率降低,而过大持液量将导致目标产物选择性下降,同时持液量受塔结构和塔板水力学条件限制。通过对催化精馏塔的塔径和溢流堰堰高等参数优化,得到优化的持液量数据比常规精馏塔的塔板持液量提高了约2.9倍,对应塔顶EO质量浓度为0.8%,目标产物的选择性为90.4%,可同时达到催化精馏的技术要求和塔水力学条件。