相平衡數據的高精度關聯方法及相平衡估算方法
2023-09-18 08:58:50 1
相平衡數據的高精度關聯方法及相平衡估算方法
【專利摘要】本發明提供針對以二組分體系氣液平衡數據為代表的寬範圍的相平衡數據、由既存的相平衡數據準確地估算相平衡的方法，使用其的組分的分離、精製裝置的設計或控制方法、裝置，以及這些設計或控制裝置的裝置設計程序。使用二組分體系相平衡測定數據算出下述式（22）所示的臨界點到達率X和下述式（24）、式（25）所示的無限稀釋壓力梯度Y1和Y2（式中，Pc1表示二組分體系中的組分1的臨界壓力，p1s、p2s分別表示溫度T下的組分1和組分2的蒸汽壓，γi∞表示針對液相中的組分i的無限稀釋活度係數），將得到的X與Y1和Y2關聯，由X-Y1關聯和X-Y2關聯算出新的無限稀釋活度係數γ1∞、γ2∞或二組分體系參數A、B，由得到的γ1∞、γ2∞或A、B估算相平衡。使用由此得到的值進行蒸餾塔等組分分離、精製裝置的設計、控制。臨界點到達率X：（22），無限稀釋壓力梯度Y1和Y2：（24）、（25）。
【專利說明】相平衡數據的高精度關聯方法及相平衡估算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用無限稀釋壓力梯度與蒸汽壓的關係的相平衡數據的高精度關聯方法、及利用該相平衡數據的高精度關聯方法的相平衡估算方法。此外，本發明涉及利用使用該相平衡估算方法得到的值進行蒸餾塔、萃取塔、析晶裝置等組分的分離/精製裝置的設計、裝置控制的方法以及裝置，進而涉及蒸餾塔、萃取塔、析晶裝置等組分的分離/精製裝置的設計或控制程序。
【背景技術】[0002]化學品製造工序中在反應器後接著用於分離副產物並精製產品的分離/精製工序。其往往使用蒸餾法，也常常使用吸收、萃取、析晶。另一方面，石油的組分分離中使用蒸餾塔。此外，天然氣的精製中也進行組分分離。這些分離/精製工序中的組分分離原理在於相平衡關係，蒸懼和吸收中，氣液平衡(VLE ;Vapor Liquid Equiribrium)成為決定分離極限、分離所需的能量的核心因素，萃取中，液液平衡(LLE ；Liquid Liquid Equiribrium)成為決定分離極限、分離所需的能量的核心因素，析晶中，固液平衡(SLE:Solid LiquidEquiribrium)成為決定分離極限、分離所需的能量的核心因素。因此，若不知曉準確的相平衡關係，則合理的裝置設計、操作設計、以及工序選擇都無法進行。
[0003]據此，在化學品、石油、天然氣精製等中，相平衡關係極為重要，但是，若想要在化學品製造、石油、天然氣精製工序中利用相平衡關係，則面臨無法準確地估算相平衡關係的問題。其原因在於無法預測液相的非理想性(即，活度係數的值從I偏離，無法再將混合物視為單一組分的性質)。若想要解決該問題，則遇到無法預測非理想溶液的分子間相互作用的強度和分子構型的規則性這樣的根源性的問題。因此，理論方面的進展停滯。另一方面，不知曉相平衡關係時，也會遺留無法確定製造工序且無法設計裝置這樣的實用上的問題。若以蒸餾塔的設計為例，則無法確定接觸段的數量、填充塔的高度。所以，現狀是對作為分離對象的體系實測相平衡關係，利用操作因素將其關聯，將該關聯關係用於設計計算。為了用於前述分離裝置的設計，報導了許多氣液平衡數據(例如，參見非專利文獻I)、液液平衡數據(例如，參見非專利文獻2)、固液平衡數據，但這些數據均為測量值。但是，測量值帶有誤差(導致偏差的統計誤差和導致不準確的系統誤差)。現狀是由於不知曉準確的相平衡關係，因此為了確保純度等產品性狀、產量等生產率而預計較大的安全係數來進行裝置設計。化學品製造中使用大型裝置，因此較大的安全係數會顯著損害經濟性。以下，首先對滿足不含這種誤差的真值的熱力學關係進行說明。
[0004]相I與II接觸而達到平衡時，針對構成這些相的組分的組分i的平衡關係由下述式給出(例如，參見非專利文獻3)。
[0005][數學式I]
[0006](A)1=(A)n(I)
[0007](低壓二組分體系氣液平衡數據的關聯法)
[0008]首先，考慮由組分I和組分2形成的液相和氣相在低壓下處於平衡狀態的情況。針對該低壓二組分體系氣液平衡(VLE)，式(I)具體如下述式那樣表示(例如，參見非專利文獻3)。
[0009][數學式2]
[0010]Py1 = y !X1Pls(2)
[0011][數學式3]
[0012]Py2 = Y2X2P2s(3)
[0013]上述式中，P表示體系的壓力，Y1, y2分別表示氣相中的組分I和組分2的摩爾分數，X1和X2表示液相中的組分I和組分2的摩爾分數，Y i和Y 2表示液相中的組分I和組分2的活度係數，Pls和p2s表示體系的溫度T下的組分I和組分2的蒸汽壓。活度係數為了代表液相的非理想性而引入。理想溶液中，組分i的活度係數Yi=I成立。為了表示液相的非理想性，提出了許多活度係數公式。作為活度係數公式，例如，常常使用下述式(4)、式
(5)的Margules公式。需要說明的是,此外,作為活度係數公式,還已知有van Laar公式、UNIQUAC 公式、NRTL 公式、Wilson 公式、Redlich-Kister 公式等。 [0014][數學式4]
[0015]Iny1 = X22 [A+2 (B-A) X1](4)
[0016][數學式5]
[0017]Iny2 = X12 [B+2 (A-B) x2](5)
[0018]此處，X1表示組分I的液相摩爾分數，X2表示組分2的液相摩爾分數。另外，二組分體系參數A和B由下述式(6)、式(7)給出。
[0019][數學式6]
[0020]A= In Y ! °°(6)
[0021][數學式7]
[0022]B= In Y 2 °°(7)
[0023]式中，分別表示針對液相中的組分I和組分2的無限稀釋活度係數。即，二組分體系參數A、B通過考慮式(4)和式(5)中X1 — O、X2 — O的極限，由上述無限稀釋活度係數Y1 ~和Y2 ~表示。
[0024]具體而言，為了示出針對VLE數據的關聯的例子，將針對溫度323.15K下的甲醇
(I)-水(2)體系的P-x數據和Ρ-y數據示於圖1。
[0025]圖1中，〇為P-X1關係的測量值(參見非專利文獻1，第I部分第56頁)，?為Pi1關係的測量值(參見非專利文獻1，第I部分第56頁)。
[0026]另一方面，根據式(2)、式(3)的和，若考慮71+72=1，則給出下述式(8)。P為體系的壓力。
[0027][數學式8]
[0028]P=Y !X1Pls+ Y 2x2P2s(8)
[0029]使用最小二乗法確定二組分體系參數A和B以便最好地代表實測的P-x關係。由如此確定的A和B (A=0.6506以及B=0.5204)的值使用Margules公式計算P_x關係，在圖1中用實線(_)示出。
[0030]另外，將使用代表P-x關係的A和B由下述式(9)計算出的P_yi關係在圖1中用點線(…)示出。[0031][數學式9]
【權利要求】
1.一種二組分體系相平衡數據的關聯、估算方法，其特徵在於，使用二組分體系相平衡測定數據算出臨界點到達率X與無限稀釋壓力梯度Y1和Y2, 將得到的臨界點到達率X與無限稀釋壓力梯度Y1和Y2關聯，由X-Y1關聯和X-Y2關聯分別算出無限稀釋活度係數Y1' Y200或二組分體系參數A、B， 使用算出的無限稀釋活度係數Y1' Y2 ~或二組分體系參數A和B的值，估算新的二組分體系相平衡數據。
2.根據權利要求1所述的二組分體系相平衡數據的關聯、估算方法，其特徵在於，臨界點到達率X由式(22)算出，
3.根據權利要求1所述的二組分體系相平衡數據的關聯、估算方法，其特徵在於，利用下述式(29)評價X與Y1和Y2的關聯數據的熱力學一致性，僅使用熱力學一致的數據進行X與Y1和Y2的關聯，
4.一種進行組分的分離、精製裝置的設計或控制的方法，其特徵在於，其包括: 記錄既存的二組分體系相平衡數據的步驟； 進行權利要求1所述的二組分體系相平衡數據的關聯、估算方法的步驟；以及 使用算出的新的二組分體系相平衡數據，輸入到組分的分離、精製裝置的設計或控制單元，進行組分的分離、精製裝置的設計或控制的步驟。
5.根據權利要求4所述的進行組分的分離、精製裝置的設計或控制的方法，其特徵在於，臨界點到達率X由式(22)算出，
6.根據權利要求4所述的進行組分的分離、精製裝置的設計或控制的方法，其特徵在於，利用下述式(29)評價X與Y1和Y2的關聯數據的熱力學一致性，僅使用熱力學一致的數據進行X與Y1和Y2的關聯，
7.根據權利要求4所述的進行組分的分離、精製裝置的設計或控制的方法，其特徵在於，所述無限稀釋活度係數Y1' Y2 ~或所述二組分體系參數A、B為同系列的多個體系的數據，由該同系列的多個體系的數據估算同系列的其它體系的無限稀釋活度係數Y1'Y2 00或二組分體系參數A、B。
8.根據權利要求4所述的進行組分的分離、精製裝置的設計或控制的方法，其特徵在於，由算出的無限稀釋活度係數Y1' 或二組分體系參數A、B算出原子團的無限稀釋活度係數或二組分體系參數，由算出的原子團的無限稀釋活度係數或二組分體系參數估算新的二組分體系相平衡數據。
9.一種組分的分離、精製裝置的設計或控制程序，其特徵在於，其是使具備運算處理裝置和數據存儲部的計算機或被連接到網絡的該計算機發揮功能以便執行權利要求4所述的進行組分的分離、精製裝置的設計或控制的方法的程序， 所述程序以進行以下各步驟的方式使所述計算機發揮功能: 將既存的二組分體系相平衡數據存儲於數據存儲部； 自數據存儲部向運算處理裝置輸出所述二組分體系相平衡數據，並輸出預先存儲於數據存儲部的規定的運算式，由該運算處理裝置將該二組分體系相平衡數據代入到該運算式，從而算出臨界點到達率X、無限稀釋壓力梯度Y1和Y2,將得到的臨界點到達率X、無限稀釋壓力梯度Y1和Y2關聯，由X-Y1關聯和X-Y2關聯分別算出無限稀釋活度係數Y1' Y廠或二組分體系參數A、B ； 然後將所述無限稀釋活度係數Y1' Y2 ~或所述二組分體系參數A、B進行處理，估算新的二組分相平衡數據； 由所述新的二組分相平衡數據算出裝置設計信息或裝置控制信息。
10.一種組分的分離、精製裝置的設計或控制裝置，其特徵在於，其包含: 相平衡信息記錄單元，接收利用向計算機輸入信息的信息輸入單元輸入的、既存的二組分體系相平衡數據； 相平衡關聯單元，根據自相平衡信息記錄單元輸出的二組分體系相平衡數據算出臨界點到達率X、無限稀釋壓力梯度Y1和Y2,將得到的臨界點到達率X、無限稀釋壓力梯度Y1和Y2關聯，由X-Y1關聯和X-Y2關聯分別算出無限稀釋活度係數Y Y廠或二組分體系參數A、B ; 相平衡估算單元，利用自相平衡關聯單元輸出的無限稀釋活度係數Y1' 或二組分體系參數A、B的輸入來估算新的二組分相平衡數據； 裝置設計、控制信息算出單元，輸入自相平衡估算單元輸出的新的二組分相平衡數據，算出裝置設計信息或裝置控制信息；以及 裝置的設計或控制單元，利用由裝置設計、控制信息算出單元算出的信息來進行裝置的設計或控制。
11.根據權利要求10所述的組分的分離、精製裝置的設計或控制裝置，其特徵在於，臨界點到達率X由式(22)算出，
12.根據權利要求10所述的組分的分離、精製裝置的設計或控制裝置，其特徵在於，利用下述式(29)評價X與Y1和Y2的關聯數據的熱力學一致性，僅使用熱力學一致的數據進行X與Y1和Y2的關聯，
13.根據權利要求10所述的組分的分離、精製裝置的設計或控制裝置，其特徵在於，由所述相平衡關聯單元算出的無限稀釋活度係數Y1' Y廠或二組分體系參數A、B為同系列的多個體系的數據，由該同系列的多個體系的數據估算同系列的其它體系的無限稀釋活度係數Y1' Y廠或二組分體系參數A、B。
14.根據權利要求10所述的組分的分離、精製裝置的設計或控制裝置，其特徵在於，在所述相平衡關聯單元中、由算出的無限稀釋活度係數Y1' Y2 ~或二組分體系參數A、B算出原子團的無限稀釋活度係數或二組分體系參數，將算出的原子團的無限稀釋活度係數或二組分體系參數輸入到相平衡估算單元。
【文檔編號】B01D3/42GK103906553SQ201280047955
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2011年9月29日
【發明者】加藤覺 申請人:公立大學法人首都大學東京