碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法技术

本发明专利技术提供了一种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法，解决了碘硫循环制氢中HI浓缩分离的精馏问题，本发明专利技术选用NRTL模型来修正HI‑I2‑H2O体系的三元混合物的液相非理想性，结合H2O‑HI、H2O‑I2和HI‑I2体系的二元气液平衡实验数据，关联该三组体系NRTL模型表达式中的二元交互作用参数。借助模拟软件Aspen Plus对HI精馏塔进行系统的模拟设计，并对关键操作参数进行分析优化，得到优化后的操作条件，通过灵敏度分析，分别考察HI精馏塔的塔板数、回流比、进料组分对分离条件的影响，并确定了其最优值，为工业碘硫循环制氢过程工艺的进一步研究提供理论基础和依据。

【技术实现步骤摘要】
碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法
本专利技术属于化工领域，涉及一种均相共沸精馏塔的建模方法，尤其是HI-I2-H2O体系，碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法。
技术介绍
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，且具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。但时至今日,氢仍然大部分来源于煤、石油、天然气等化石燃料，氢的清洁、高效、可持续大规模生产问题一直困扰着人们。在标准压力下，水的分解反应需要温度高于2500K时，才比较明显。而采用热化学循环的方法能够大大降低操作条件。热化学循环分解水制氢是通过引入若干物质而将水分解反应转变为分步进行的循环过程；过程的输入为水和低于1500K的加热，输出为氢和氧，而其余产物作为中间产物或中间反应物循环利用。在目前已经提出的100多个热化学循环中，由美国通用原子能(GA)公司开发的碘硫循环(IScycle)被认为是最有前景的热化学循环制氢流程。碘硫循环制氢，作为从众多热化学循环分解水制氢路线中得出的优选方案，正越来越显示出独特的优势，尤其是将碘硫循环与太阳能供热、核反应堆供热等技术相耦合之后，氢有望真正被清洁、大规模地生产出来。但因为碘硫循环过程中碘化氢(HI)与水的共沸(实际物料为HI-H20-I2，简称HIx相)，HI的浓缩分离成为了碘硫循环能否高效运行的瓶颈步骤。为应对这一问题，研究者们相继开发出了磷酸萃取精馏、反应精馏以及电解电渗析预浓缩-精馏等工艺。美国GA公司于20世纪70年代开发出使用磷酸破坏HI与H2O共沸的技术路线。HI-H20-I2与磷酸混合后，I2会从料液中沉淀出来，而剩余的H3PO4-HI。H2O体系中由于磷酸与水有更强的结合力，水不再与HI发生共沸，对该体系进行精馏即可在塔顶得到高浓度的HI，而精馏塔釜底的稀磷酸经浓缩除水后可循环利用。针对HIx体系，德国亚琛工业大学(RWTH)于1987年提出了反应精馏方法，在高温高压下的反应精馏塔内进行精馏和HI分解的耦合操作。日本原子力机构(JAEA)的研究者在1997年提出利用电解电渗析工艺(也成为膜电解工艺，Electro-Electrodialysis，简称EED)对HI-H20-I2体系进行预浓缩处理，再进行精馏。其中反应精馏虽然方法简洁，但操作条件为高温高压，还大多停留在实验模拟阶段，另外两种方法的主要耗能集中在后期精馏塔加热耗能，所以HI-H20-I2体系的HI精馏塔的性能分析和优化设计是非常有必要的。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了一种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法，所述的这种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法要解决现有技术中碘硫循环制氢过程中HI浓缩分离的精馏效率不佳及精馏塔优化设计的技术问题。本专利技术提供了一种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法，包括以下步骤：①通过实验和文献的查询，获得碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔三元混合体系的二元汽液平衡的实验数据；②根据碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔混合物系的热力学特征，找到能正确描述该混合物系汽液平衡相行为的热力学模型，对于气相，选用AspenPlus默认的模型数据，液相采用活度系数模型NRTL模型来修正液相的非理想性；③通过对步骤①中所获取的气液平衡实验数据采用极大似然法计算处理，得到了NRTL模型中的二元交互作用的回归拟合参数，利用得到的二元交互作用参数去预测该三元体系的相平衡行为，建立能准确描述该三元混合物系物性特点的热力学模型；④将满足两个精馏假设的平衡级模型，与步骤②中采用的热力学非理想性修正模型以及步骤③中拟合出的二元交互作用参数相结合，建立出碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的数学稳态模型；⑤利用AspenPlus软件，搭建RadFrac模块中的精馏塔，结合某一个EED工艺的HI浓缩精馏中的已知参数输入，通过调节参数设置，使得该精馏塔达到目标规定要求；⑥通过灵敏度分析，获得精馏塔的优化设计工况。进一步的，所述步骤①中，所述的二元汽液平衡的实验数据包括碘化氢+水、碘化氢+碘、水+碘。进一步的，所述步骤①中，对比分析通过汽液相平衡数据热力学一致性检验，选用Herington的积分检验法来验证实验数据的可靠性。进一步的，所述步骤②中，气相非理想性采用状态方程描述，液相非理想性较大，其活度系数需要采用活度系数方程：NRTL(Non-randomTwo-Liquid)方程(适用于完全互溶和部分互溶体系汽液液平衡计算)来修正。进一步的，所述步骤③中NRTL模型中的τij采用τij＝exp(Aij+Bij/T)的表达式对二元交互作用参数进行回归拟合。进一步的，所述步骤④中的两个精馏假设分别为平衡级假设和全混级假设，其平衡级模型为MESH方程，是由物料平衡方程(M)、相平衡方程(E)、浓度加和方程(S)以及热量平衡方程(H)四大基本方程式构成的方程组。进一步的，所述步骤⑤中的已知参数输入包括各进料流股的温度、压力、流量、组成、操作压力、塔压压力与压降、出料关键组分浓度。进一步的，所述步骤⑥中的灵敏度分析包括对塔内灵敏板温度、馏出物浓度、塔釜再沸器热量的分析。进一步的，所述步骤⑥中的优化设计工况是指在得到制定馏出物浓度要求的同时，塔釜再沸器热量最小的设计工况。本专利技术采用活度系数法NRTL模型修正液相非理想性。利用实验数据和文献数据，通过极大似然法回归拟合得到NRTL模型的二元交互作用参数，准确分析描述精馏塔内HI-H20-I2混合物系的汽液平衡特征，基于精馏塔的稳态平衡级模型MESH方程，结合某个EED工艺的HI浓缩精馏中的已知参数输入，借助模拟软件AspenPlus对HI精馏塔进行系统的模拟设计，并对关键操作参数进行分析优化，得到优化后的操作条件，通过灵敏度分析，分别考察HI精馏塔的塔板数、回流比、进料组分对分离条件的影响，并确定了其最优值，为工业碘硫循环制氢过程工艺的进一步研究提供理论基础和依据。本专利技术在正确建立HI-H20-I2三元混合物系汽液平衡特征的热力学模型的基础上，结合已知可靠的实验数据，利用AspenPlus软件，通过极大似然法回归拟合出NRTL模型的二元交互作用参数，然后通过满足两个精馏假设的平衡级模型，建立出碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的数学稳态模型。利用AspenPlus软件，根据某个EED工艺的HI浓缩精馏中生产数据与工况，建立能正确描述HI-H20-I2混合物系的精馏塔工艺机理模型。本专利技术和已有技术相比，其技术进步是显著的。本专利技术针对碘硫循环制氢中HI浓缩分离的精馏问题，选用NRTL模型来修正HI-I2-H2O体系的三元混合物的液相非理想性，结合H2O-HI、H2O-I2和HI-I2体系的二元气液平衡实验数据，关联该三组体系NRTL模型表达式中的二元交互作用参数。从参数调节与结果变化中发现该精馏塔的内在联系与机理，为改善精馏塔操作工艺提理论依据，同时也为HI-H20-I2混合物系中的IH精馏塔的优化设计提供指导方案。附图说明图1是某EED工艺的HI精馏工艺流程图；图2是HI-H20-I2体系的剩余曲线图；图3是精馏塔结构简图；图4是汽液两相的通用平衡级模型的精馏塔板结构。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。附图1为某个EED工艺的HI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法，其特征在于包括以下步骤：①通过实验和文献的查询，获得碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔三元混合体系的二元汽液平衡的实验数据；②根据碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔混合物系的热力学特征，找到能正确描述该混合物系汽液平衡相行为的热力学模型，对于气相，选用Aspen Plus默认的模型数据，液相采用活度系数模型NRTL模型来修正液相的非理想性；③通过对步骤①中所获取的气液平衡实验数据采用极大似然法计算处理，得到了NRTL模型中的二元交互作用的回归拟合参数，利用得到的二元交互作用参数去预测该三元体系的相平衡行为，建立能准确描述该三元混合物系物性特点的热力学模型；④将满足两个精馏假设的平衡级模型，与步骤②中采用的热力学非理想性修正模型以及步骤③中拟合出的二元交互作用参数相结合，建立出碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的数学稳态模型；⑤利用Aspen Plus软件，搭建RadFrac模块中的精馏塔，结合某一个EED工艺的HI浓缩精馏中的已知参数输入，通过调节参数设置，使得该精馏塔达到目标规定要求；⑥通过灵敏度分析，获得精馏塔的优化设计工况。

【技术特征摘要】
1.一种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法，其特征在于包括以下步骤：①通过实验和文献的查询，获得碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔三元混合体系的二元汽液平衡的实验数据；②根据碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔混合物系的热力学特征，找到能正确描述该混合物系汽液平衡相行为的热力学模型，对于气相，选用AspenPlus默认的模型数据，液相采用活度系数模型NRTL模型来修正液相的非理想性；③通过对步骤①中所获取的气液平衡实验数据采用极大似然法计算处理，得到了NRTL模型中的二元交互作用的回归拟合参数，利用得到的二元交互作用参数去预测该三元体系的相平衡行为，建立能准确描述该三元混合物系物性特点的热力学模型；④将满足两个精馏假设的平衡级模型，与步骤②中采用的热力学非理想性修正模型以及步骤③中拟合出的二元交互作用参数相结合，建立出碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的数学稳态模型；⑤利用AspenPlus软件，搭建RadFrac模块中的精馏塔，结合某一个EED工艺的HI浓缩精馏中的已知参数输入，通过调节参数设置，使得该精馏塔达到目标规定要求；⑥通过灵敏度分析，获得精馏塔的优化设计工况。2.根据权利要求1所述的一种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法，其特征在于：所述步骤①中，所述的二元汽液平衡的实验数据包括碘化氢+水、碘化氢+碘、水+碘。3.根据权利要求1所述的一种碘硫循环制氢中HI浓缩精馏塔的建模方法，其特征在于：所述步骤①中，对比分析通过汽液相平衡数据热力学一致性检验，选用Heringto...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秀辉，王俊，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31