一种液相稳定性的判断方法技术

本发明专利技术公开了一种液相稳定性的判断方法，选用了三组份体系等边三角形相图，依次包括以下步骤：１）、给定一稳定性未知的初始液相总组成为Ｚ↓［ｊ］；２）、定义一几何特征矢量参数Ｌ；３）、计算夹角α；４）、求解一最小化优化问题：ｆ（Ｌ）＝｜∑ｘ↓［ｊ］↑［Ⅱ］－１｜；５）、得特征矢量参数Ｌ的符号，并进行相应的判断。本发明专利技术的液相稳定性的判断方法，简单易行、有效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别是涉及工业三相(汽液液)精馏过程建模时的液相稳定性的正确判断方法。
技术介绍
相稳定性判断，即判断一个给定的液相是否会自发地分裂为多个不同的液相。相稳定性判断在化学过程中是一个重要且经常遇到的问题，例如精馏过程、间歇过程及萃取过程等。尤其对于三相精馏过程，相稳定性问题已成为其计算机仿真和优化的一个关键问题。到目前为止，可靠的相稳定性判断方法已成为三相精馏过程建模、计算机仿真及优化的一个瓶颈问题。尽管大部分精馏过程是一个汽液两相过程，但这种汽液存在状态将随操作条件的变化而可能会有所改变。三相过程将会在塔内出现，即一个汽相和两个液相共存。同时，如果体系包含三个或更多个性质各异组份时，汽液液三相将会更加普遍地出现。对精馏过程建模与计算而言，三相的出现不仅会增加计算的复杂程度，导致收敛难度增加，而且在某些时候会导致计算收敛失败。因此，对于涉及到汽液液三相问题时，相稳定性判断方法必须具有一定的鲁棒性和快速性。对于精馏仿真计算，汽液相数目必须事先判断给定。如果假设的汽液相数目与实际的相数目不同，那么计算的非平滑问题或假解问题将会不可避免地产生。对于该问题，传统的相稳定性判断方法需要求解一个Gibbs自由能的直接全局寻优问题。Gibbs自由能函数的表达式比较复杂并存在多个局部最优值问题。Gibbs自由能函数的强非线性使全局最优解并不能得到保证。同时，液液平衡计算的收敛性问题在初始值选择上远比汽液平衡计算要困难。因此，传统的相稳定性判断方法对优化问题的初值要求高，方法的鲁棒性较差，从而导致计算机计算结果的可靠性得不到保证。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供一种简单易行、有效率高的液相稳定性的判断方法。本专利技术为达到以上目的，是通过这样的技术方案来实现的提供，选用了三组份体系等边三角形相图，依次包括以下步骤1)、给定一稳定性未知的初始液相总组成为Zj；2)、定义一几何特征矢量参数L；3)、根据给定三组份体系的相图及初始液相总组成Zj，计算与指定边相关的夹角；α=arcsin(zj1sin(2π/3)(zj1)2+(zj2)2-2zj1zj2cos(2π/3));]]>α代表相图三角形的一边与顶点3和总组成Zj连线的夹角，Zj1代表总组成为Zj的液相中组份1的摩尔浓度，Zj2代表总组成为Zj的液相中组份2的摩尔浓度。4)、由上述初始液相总组成Zj、特征矢量参数L及夹角α关系，结合相平衡关系，求解一最小化优化问题f(L)=|ΣxjII-1|;]]>XjI代表顶点3与Zj交双节线的交点，与XjI平衡的共轭相组成XjII为结线和双节线的交点；5)、得特征矢量参数L的符号，并进行相应的判断当特征矢量参数L的符号为正时，则相应的液相处于不稳定状态，液相位于非均相区域，易自发分裂为两个液相；相反，当特征矢量参数的符号为负时，相应的液相处于稳定状态，液相位于均相区域时，仍将保持单个液相；同时，当特征矢量参数L的绝对值比较小时，液相的稳定性状态处于临界区域附近，相应的初始液相摩尔组成位于相分界线、即双节线附近；当特征矢量参数L为一个比较大的正数时，意味着给定液相非常的不稳定以至于很容易自发地分裂为两个液相；当特征矢量参数L为一个比较大的负数时，意味着给定液相非常稳定，此时，当外界环境稍做改变时，液相也将保持稳定状态。参照图1所示，此为一典型的非均相三组份体系等边三角形相图。该相图包含一个均相(单个液相)区域和非均相(两个液相)区域。假设总组成为Zj的稳定性未知的初始液相位于非均相区域。连接顶点3和Zj交双节线(binodal curve)于XjI。根据相平衡结线(tie line)原理，与XjI平衡的共轭相组成XjII为结线和双节线的交点。一般而言，任何一个位于非均相区域的液相都可以做类似的处理，即分裂为两个共轭液相。在该专利技术方法中，当矢量 指向顶点3时，XjI位于总组成Zj和顶点3之间，此时定义矢量 的方向为正，其长度为L。相反，如果液相总组成位于均相区时，矢量 背向顶点3，XjI位于总组成Zj和顶点3连线之外，此时定义矢量 的方向为负，其长度为L，见图2所示。L为一新的几何参数一矢量线段长度。在该专利技术方法中，首先定义角α为相图三角形的一边与顶点3和总组成Zj连线的夹角(图1和2)。由基本的数学知识得α的计算表达式为 α=arcsin(zj1sin(2π/3)(zj1)2+(zj2)2-2zj1zj2cos(2π/3))---(1)]]>对于实际存在的液相，各组份的摩尔分率之和必须等于1。同时，当液相组成位于双节线上时，如图3点XjI，另一个共轭组成XjII必然为实际上存在，同时满足ΣxjI=1---(2)]]>ΣxjII=1---(3)]]>其中xjII,i=KjI-II,i(T,P,xjI,xjII)xjI,i---(4)]]>然而，对于图3中的点XjI′和XjI″，不可能找到一个与之相平衡且实际上真正存在的液相。值得注意的是，尽管此时另一个液相并不能实际存在，但式(4)的平衡关系在数学上依然有效。该不存在的液相摩尔组成不能用任何物理方法对其进行测量，同时，摩尔组成之和也将偏离传统的归一化关系，见式(5)和(6)。ΣxjII′≠1---(5)]]>ΣxjII′′≠1---(6)]]>其中xjII′,i=KjI′-II′,i(T,P,xjI′,xjII′)xjI′,i---(7)]]>xjII′′,i=KjI′′-II′′,i(T,P,xjI′′,xjII′′)xjI′′,i---(8)]]>基于以上原理，下面引入参数L，对本专利技术的技术方案作进一步描述。L主要将用于表明稳定性状况未知的初始液相总组成与基于该总组成的另一可变组成之间的位置关系。在此基础上，相稳定性问题将归纳为一个液液相平衡关系约束下的最小化优化问题。当长度L的值增大时(图1和2)，总存在某一L(=ZjXjI→)]]>和相应的XjI，其中XjI位于双节线上，在满足式(2)的情况下，使式(9)收敛于最小值。纯理论而言，这个最小值应该是0，但由于数值计算的原因，这个最小值一般不能达到真正的0。因此，在本专利技术方法中，该值选为10-9时即认为0。f(L)=|ΣxjII-1|---(9)]]>参数L直接提供了关于相稳定性的信息。从上述最优化问题的求解过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液相稳定性的判断方法，选用了三组份体系等边三角形相图，其特征是依次包括以下步骤：１）、给定一稳定性未知的初始液相总组成为Ｚ↓［ｊ］；２）、定义一几何特征矢量参数Ｌ；３）、根据给定三组份体系的相图及初始液相总组成Ｚ ↓［ｊ］，计算与指定边相关的夹角；α＝ａｒｃｓｉｎ（ｚ↓［ｊ］↑［Ⅰ］ｓｉｎ（２π／３）／＊）；所述α代表相图三角形的一边与顶点（３）和总组成Ｚ↓［ｊ］连线的夹角，所述Ｚ↓［ｊ］↑［Ⅰ］代表总组成为Ｚ↓［ｊ］的液相中组份（１ ）的摩尔浓度，所述Ｚ↓［ｊ］↑［２］代表总组成为Ｚ↓［ｊ］的液相中组份（２）的摩尔浓度；４）、由上述初始液相总组成Ｚ↓［ｊ］、特征矢量参数Ｌ及夹角α关系，结合相平衡关系，求解一最小化优化问题：ｆ（Ｌ）＝｜∑ｘ↓［ｊ］↑［Ⅱ］－１｜； Ｘ↓［ｊ］↑［Ⅰ］代表顶点３与Ｚ↓［ｊ］交双节线的交点，与所述Ｘ↓［ｊ］↑［Ⅰ］平衡的共轭相组成Ｘ↓［ｊ］↑［Ⅱ］为结线和双节线的交点；５）、得特征矢量参数Ｌ的符号，并进行相应的判断：当特征矢量参数Ｌ的符号为正时，则相应的液 相处于不稳定状态，液相位于非均相区域，易自发分裂为两个液相；相反，当特征矢量参数的符号为负时，相应的液相处于稳定状态，液相位于均相区域时，仍将保持单个液相；同时，当特征矢量参数Ｌ的绝对值比较小时，液相的稳定性状态处于临界区域附近，相 应的初始液相摩尔组成位于相分界线、即双节线附近；当特征矢量参数Ｌ为一个比较大的正数时，意味着给定液相非常的不稳定以至于很容易自发地分裂为两个液相；当特征矢量参数Ｌ为一个比较大的负数时，意味着给定液相非常稳定，此时，当外界环境稍做改变时，液相也将保持稳定状态。...

【技术特征摘要】
1.一种液相稳定性的判断方法，选用了三组份体系等边三角形相图，其特征是依次包括以下步骤1)、给定一稳定性未知的初始液相总组成为Zj；2)、定义一几何特征矢量参数L；3)、根据给定三组份体系的相图及初始液相总组成Zj，计算与指定边相关的夹角；α=arcsin(zj1sin(2π/3)(zj1)2+(zj2)2-2zj1zj2cos(2π/3));]]>所述α代表相图三角形的一边与顶点(3)和总组成Zj连线的夹角，所述Zj1代表总组成为Zj的液相中组份(1)的摩尔浓度，所述Zj2代表总组成为Zj的液相中组份(2)的摩尔浓度；4)、由上述初始液相总组成Zj、特征矢量参数L及夹角α关系，结合相平衡关系，求解一最小化优化问题f(L)=|&Sig...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树青，郭敏强，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]