相平衡數(shù)據(jù)的高精度關(guān)聯(lián)方法及相平衡估算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供針對以二組分體系氣液平衡數(shù)據(jù)為代表的寬范圍的相平衡數(shù)據(jù)、由既存的相平衡數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地估算相平衡的方法，使用其的組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制方法、裝置，以及這些設(shè)計或控制裝置的裝置設(shè)計程序。使用二組分體系相平衡測定數(shù)據(jù)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的無限稀釋活度系數(shù)），將得到的X與Y1和Y2關(guān)聯(lián)，由X-Y1關(guān)聯(lián)和X-Y2關(guān)聯(lián)算出新的無限稀釋活度系數(shù)γ1∞、γ2∞或二組分體系參數(shù)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、精制裝置的設(shè)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(shù)據(jù)的高精度關(guān)聯(lián)方法及相平衡估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用無限稀釋壓力梯度與蒸汽壓的關(guān)系的相平衡數(shù)據(jù)的高精度關(guān)聯(lián)方法、及利用該相平衡數(shù)據(jù)的高精度關(guān)聯(lián)方法的相平衡估算方法。此外，本發(fā)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/精制裝置的設(shè)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/精制裝置的設(shè)計或控制程序。
【背景技術(shù)】[0002]化學(xué)品制造工序中在反應(yīng)器后接著用于分離副產(chǎn)物并精制產(chǎn)品的分離/精制工序。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，天然氣的精制中也進行組分分離。這些分離/精制工序中的組分分離原理在于相平衡關(guān)系，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(zhǔn)確的相平衡關(guān)系，則合理的裝置設(shè)計、操作設(shè)計、以及工序選擇都無法進行。
[0003]據(jù)此，在化學(xué)品、石油、天然氣精制等中，相平衡關(guān)系極為重要，但是，若想要在化學(xué)品制造、石油、天然氣精制工序中利用相平衡關(guān)系，則面臨無法準(zhǔn)確地估算相平衡關(guān)系的問題。其原因在于無法預(yù)測液相的非理想性(即，活度系數(shù)的值從I偏離，無法再將混合物視為單一組分的性質(zhì))。若想要解決該問題，則遇到無法預(yù)測非理想溶液的分子間相互作用的強度和分子構(gòu)型的規(guī)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(guān)系時，也會遺留無法確定制造工序且無法設(shè)計裝置這樣的實用上的問題。若以蒸餾塔的設(shè)計為例，則無法確定接觸段的數(shù)量、填充塔的高度。所以，現(xiàn)狀是對作為分離對象的體系實測相平衡關(guān)系，利用操作因素將其關(guān)聯(lián)，將該關(guān)聯(lián)關(guān)系用于設(shè)計計算。為了用于前述分離裝置的設(shè)計，報道了許多氣液平衡數(shù)據(jù)(例如，參見非專利文獻I)、液液平衡數(shù)據(jù)(例如，參見非專利文獻2)、固液平衡數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)均為測量值。但是，測量值帶有誤差(導(dǎo)致偏差的統(tǒng)計誤差和導(dǎo)致不準(zhǔn)確的系統(tǒng)誤差)?，F(xiàn)狀是由于不知曉準(zhǔn)確的相平衡關(guān)系，因此為了確保純度等產(chǎn)品性狀、產(chǎn)量等生產(chǎn)率而預(yù)計較大的安全系數(shù)來進行裝置設(shè)計。化學(xué)品制造中使用大型裝置，因此較大的安全系數(shù)會顯著損害經(jīng)濟性。以下，首先對滿足不含這種誤差的真值的熱力學(xué)關(guān)系進行說明。
[0004]相I與II接觸而達到平衡時，針對構(gòu)成這些相的組分的組分i的平衡關(guān)系由下述式給出(例如，參見非專利文獻3)。
[0005][數(shù)學(xué)式I]
[0006](A)1=(A)n(I)
[0007](低壓二組分體系氣液平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)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于平衡狀態(tài)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(shù)學(xué)式2]
[0010]Py1 = y !X1Pls(2)
[0011][數(shù)學(xué)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?jǐn)?shù)，X1和X2表示液相中的組分I和組分2的摩爾分?jǐn)?shù)，Y i和Y 2表示液相中的組分I和組分2的活度系數(shù)，Pls和p2s表示體系的溫度T下的組分I和組分2的蒸汽壓?；疃认禂?shù)為了代表液相的非理想性而引入。理想溶液中，組分i的活度系數(shù)Yi=I成立。為了表示液相的非理想性，提出了許多活度系數(shù)公式。作為活度系數(shù)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,作為活度系數(shù)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(shù)學(xué)式4]
[0015]Iny1 = X22 [A+2 (B-A) X1](4)
[0016][數(shù)學(xué)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?jǐn)?shù)，X2表示組分2的液相摩爾分?jǐn)?shù)。另外，二組分體系參數(shù)A和B由下述式(6)、式(7)給出。
[0019][數(shù)學(xué)式6]
[0020]A= In Y ! °°(6)
[0021][數(shù)學(xué)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的無限稀釋活度系數(shù)。即，二組分體系參數(shù)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系數(shù)Y1 ~和Y2 ~表示。
[0024]具體而言，為了示出針對VLE數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)的例子，將針對溫度323.15K下的甲醇
(I)-水(2)體系的P-x數(shù)據(jù)和Ρ-y數(shù)據(jù)示于圖1。
[0025]圖1中，〇為P-X1關(guān)系的測量值(參見非專利文獻1，第I部分第56頁)，?為Pi1關(guān)系的測量值(參見非專利文獻1，第I部分第56頁)。
[0026]另一方面，根據(jù)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(shù)學(xué)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(shù)A和B以便最好地代表實測的P-x關(guān)系。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(guān)系，在圖1中用實線(_)示出。
[0030]另外，將使用代表P-x關(guān)系的A和B由下述式(9)計算出的P_yi關(guān)系在圖1中用點線(…)示出。[0031][數(shù)學(xué)式9]
【權(quán)利要求】
1.一種二組分體系相平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、估算方法，其特征在于，使用二組分體系相平衡測定數(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)，由X-Y1關(guān)聯(lián)和X-Y2關(guān)聯(lián)分別算出無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y200或二組分體系參數(shù)A、B， 使用算出的無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y2 ~或二組分體系參數(shù)A和B的值，估算新的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、估算方法，其特征在于，臨界點到達率X由式(22)算出，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、估算方法，其特征在于，利用下述式(29)評價X與Y1和Y2的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的熱力學(xué)一致性，僅使用熱力學(xué)一致的數(shù)據(jù)進行X與Y1和Y2的關(guān)聯(lián)，
4.一種進行組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制的方法，其特征在于，其包括: 記錄既存的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)的步驟； 進行權(quán)利要求1所述的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、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(shù)據(jù)，輸入到組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制單元，進行組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的進行組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制的方法，其特征在于，臨界點到達率X由式(22)算出，
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的進行組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制的方法，其特征在于，利用下述式(29)評價X與Y1和Y2的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的熱力學(xué)一致性，僅使用熱力學(xué)一致的數(shù)據(jù)進行X與Y1和Y2的關(guān)聯(lián)，
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的進行組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制的方法，其特征在于，所述無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y2 ~或所述二組分體系參數(shù)A、B為同系列的多個體系的數(shù)據(jù)，由該同系列的多個體系的數(shù)據(jù)估算同系列的其它體系的無限稀釋活度系數(shù)Y1'Y2 00或二組分體系參數(shù)A、B。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的進行組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制的方法，其特征在于，由算出的無限稀釋活度系數(shù)Y1' 或二組分體系參數(shù)A、B算出原子團的無限稀釋活度系數(shù)或二組分體系參數(shù)，由算出的原子團的無限稀釋活度系數(shù)或二組分體系參數(shù)估算新的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)。
9.一種組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制程序，其特征在于，其是使具備運算處理裝置和數(shù)據(jù)存儲部的計算機或被連接到網(wǎng)絡(luò)的該計算機發(fā)揮功能以便執(zhí)行權(quán)利要求4所述的進行組分的分離、精制裝置的設(shè)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(fā)揮功能: 將既存的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)存儲部； 自數(shù)據(jù)存儲部向運算處理裝置輸出所述二組分體系相平衡數(shù)據(jù)，并輸出預(yù)先存儲于數(shù)據(jù)存儲部的規(guī)定的運算式，由該運算處理裝置將該二組分體系相平衡數(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)，由X-Y1關(guān)聯(lián)和X-Y2關(guān)聯(lián)分別算出無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y廠或二組分體系參數(shù)A、B ； 然后將所述無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y2 ~或所述二組分體系參數(shù)A、B進行處理，估算新的二組分相平衡數(shù)據(jù)； 由所述新的二組分相平衡數(shù)據(jù)算出裝置設(shè)計信息或裝置控制信息。
10.一種組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制裝置，其特征在于，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(shù)據(jù)； 相平衡關(guān)聯(lián)單元，根據(jù)自相平衡信息記錄單元輸出的二組分體系相平衡數(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)，由X-Y1關(guān)聯(lián)和X-Y2關(guān)聯(lián)分別算出無限稀釋活度系數(shù)Y Y廠或二組分體系參數(shù)A、B ; 相平衡估算單元，利用自相平衡關(guān)聯(lián)單元輸出的無限稀釋活度系數(shù)Y1' 或二組分體系參數(shù)A、B的輸入來估算新的二組分相平衡數(shù)據(jù)； 裝置設(shè)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(shù)據(jù)，算出裝置設(shè)計信息或裝置控制信息；以及 裝置的設(shè)計或控制單元，利用由裝置設(shè)計、控制信息算出單元算出的信息來進行裝置的設(shè)計或控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制裝置，其特征在于，臨界點到達率X由式(22)算出，
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制裝置，其特征在于，利用下述式(29)評價X與Y1和Y2的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的熱力學(xué)一致性，僅使用熱力學(xué)一致的數(shù)據(jù)進行X與Y1和Y2的關(guān)聯(lián)，
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制裝置，其特征在于，由所述相平衡關(guān)聯(lián)單元算出的無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y廠或二組分體系參數(shù)A、B為同系列的多個體系的數(shù)據(jù)，由該同系列的多個體系的數(shù)據(jù)估算同系列的其它體系的無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y廠或二組分體系參數(shù)A、B。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的組分的分離、精制裝置的設(shè)計或控制裝置，其特征在于，在所述相平衡關(guān)聯(lián)單元中、由算出的無限稀釋活度系數(shù)Y1' Y2 ~或二組分體系參數(shù)A、B算出原子團的無限稀釋活度系數(shù)或二組分體系參數(shù)，將算出的原子團的無限稀釋活度系數(shù)或二組分體系參數(shù)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(yōu)先權(quán)日:2011年9月29日
【發(fā)明者】加藤覺 申請人:公立大學(xué)法人首都大學(xué)東京