一種液相穩定性的判斷方法技術

本發明專利技術公開了一種液相穩定性的判斷方法，選用了三組份體系等邊三角形相圖，依次包括以下步驟：１）、給定一穩定性未知的初始液相總組成為Ｚ↓［ｊ］；２）、定義一幾何特征矢量參數Ｌ；３）、計算夾角α；４）、求解一最小化優化問題：ｆ（Ｌ）＝｜∑ｘ↓［ｊ］↑［Ⅱ］－１｜；５）、得特征矢量參數Ｌ的符號，并進行相應的判斷。本發明專利技術的液相穩定性的判斷方法，簡單易行、有效率高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，特別是涉及工業三相(汽液液)精餾過程建模時的液相穩定性的正確判斷方法。
技術介紹
相穩定性判斷，即判斷一個給定的液相是否會自發地分裂為多個不同的液相。相穩定性判斷在化學過程中是一個重要且經常遇到的問題，例如精餾過程、間歇過程及萃取過程等。尤其對于三相精餾過程，相穩定性問題已成為其計算機仿真和優化的一個關鍵問題。到目前為止，可靠的相穩定性判斷方法已成為三相精餾過程建模、計算機仿真及優化的一個瓶頸問題。盡管大部分精餾過程是一個汽液兩相過程，但這種汽液存在狀態將隨操作條件的變化而可能會有所改變。三相過程將會在塔內出現，即一個汽相和兩個液相共存。同時，如果體系包含三個或更多個性質各異組份時，汽液液三相將會更加普遍地出現。對精餾過程建模與計算而言，三相的出現不僅會增加計算的復雜程度，導致收斂難度增加，而且在某些時候會導致計算收斂失敗。因此，對于涉及到汽液液三相問題時，相穩定性判斷方法必須具有一定的魯棒性和快速性。對于精餾仿真計算，汽液相數目必須事先判斷給定。如果假設的汽液相數目與實際的相數目不同，那么計算的非平滑問題或假解問題將會不可避免地產生。對于該問題，傳統的相穩定性判斷方法需要求解一個Gibbs自由能的直接全局尋優問題。Gibbs自由能函數的表達式比較復雜并存在多個局部最優值問題。Gibbs自由能函數的強非線性使全局最優解并不能得到保證。同時，液液平衡計算的收斂性問題在初始值選擇上遠比汽液平衡計算要困難。因此，傳統的相穩定性判斷方法對優化問題的初值要求高，方法的魯棒性較差，從而導致計算機計算結果的可靠性得不到保證。
技術實現思路
針對現有技術中存在的不足之處，本專利技術提供一種簡單易行、有效率高的液相穩定性的判斷方法。本專利技術為達到以上目的，是通過這樣的技術方案來實現的提供，選用了三組份體系等邊三角形相圖，依次包括以下步驟1)、給定一穩定性未知的初始液相總組成為Zj；2)、定義一幾何特征矢量參數L；3)、根據給定三組份體系的相圖及初始液相總組成Zj，計算與指定邊相關的夾角；α=arcsin(zj1sin(2π/3)(zj1)2+(zj2)2-2zj1zj2cos(2π/3));]]>α代表相圖三角形的一邊與頂點3和總組成Zj連線的夾角，Zj1代表總組成為Zj的液相中組份1的摩爾濃度，Zj2代表總組成為Zj的液相中組份2的摩爾濃度。4)、由上述初始液相總組成Zj、特征矢量參數L及夾角α關系，結合相平衡關系，求解一最小化優化問題f(L)=|ΣxjII-1|;]]>XjI代表頂點3與Zj交雙節線的交點，與XjI平衡的共軛相組成XjII為結線和雙節線的交點；5)、得特征矢量參數L的符號，并進行相應的判斷當特征矢量參數L的符號為正時，則相應的液相處于不穩定狀態，液相位于非均相區域，易自發分裂為兩個液相；相反，當特征矢量參數的符號為負時，相應的液相處于穩定狀態，液相位于均相區域時，仍將保持單個液相；同時，當特征矢量參數L的絕對值比較小時，液相的穩定性狀態處于臨界區域附近，相應的初始液相摩爾組成位于相分界線、即雙節線附近；當特征矢量參數L為一個比較大的正數時，意味著給定液相非常的不穩定以至于很容易自發地分裂為兩個液相；當特征矢量參數L為一個比較大的負數時，意味著給定液相非常穩定，此時，當外界環境稍做改變時，液相也將保持穩定狀態。參照圖1所示，此為一典型的非均相三組份體系等邊三角形相圖。該相圖包含一個均相(單個液相)區域和非均相(兩個液相)區域。假設總組成為Zj的穩定性未知的初始液相位于非均相區域。連接頂點3和Zj交雙節線(binodal curve)于XjI。根據相平衡結線(tie line)原理，與XjI平衡的共軛相組成XjII為結線和雙節線的交點。一般而言，任何一個位于非均相區域的液相都可以做類似的處理，即分裂為兩個共軛液相。在該專利技術方法中，當矢量 指向頂點3時，XjI位于總組成Zj和頂點3之間，此時定義矢量 的方向為正，其長度為L。相反，如果液相總組成位于均相區時，矢量 背向頂點3，XjI位于總組成Zj和頂點3連線之外，此時定義矢量 的方向為負，其長度為L，見圖2所示。L為一新的幾何參數一矢量線段長度。在該專利技術方法中，首先定義角α為相圖三角形的一邊與頂點3和總組成Zj連線的夾角(圖1和2)。由基本的數學知識得α的計算表達式為 α=arcsin(zj1sin(2π/3)(zj1)2+(zj2)2-2zj1zj2cos(2π/3))---(1)]]>對于實際存在的液相，各組份的摩爾分率之和必須等于1。同時，當液相組成位于雙節線上時，如圖3點XjI，另一個共軛組成XjII必然為實際上存在，同時滿足ΣxjI=1---(2)]]>ΣxjII=1---(3)]]>其中xjII,i=KjI-II,i(T,P,xjI,xjII)xjI,i---(4)]]>然而，對于圖3中的點XjI′和XjI″，不可能找到一個與之相平衡且實際上真正存在的液相。值得注意的是，盡管此時另一個液相并不能實際存在，但式(4)的平衡關系在數學上依然有效。該不存在的液相摩爾組成不能用任何物理方法對其進行測量，同時，摩爾組成之和也將偏離傳統的歸一化關系，見式(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，下面引入參數L，對本專利技術的技術方案作進一步描述。L主要將用于表明穩定性狀況未知的初始液相總組成與基于該總組成的另一可變組成之間的位置關系。在此基礎上，相穩定性問題將歸納為一個液液相平衡關系約束下的最小化優化問題。當長度L的值增大時(圖1和2)，總存在某一L(=ZjXjI→)]]>和相應的XjI，其中XjI位于雙節線上，在滿足式(2)的情況下，使式(9)收斂于最小值。純理論而言，這個最小值應該是0，但由于數值計算的原因，這個最小值一般不能達到真正的0。因此，在本專利技術方法中，該值選為10-9時即認為0。f(L)=|ΣxjII-1|---(9)]]>參數L直接提供了關于相穩定性的信息。從上述最優化問題的求解過程本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種液相穩定性的判斷方法，選用了三組份體系等邊三角形相圖，其特征是依次包括以下步驟：１）、給定一穩定性未知的初始液相總組成為Ｚ↓［ｊ］；２）、定義一幾何特征矢量參數Ｌ；３）、根據給定三組份體系的相圖及初始液相總組成Ｚ ↓［ｊ］，計算與指定邊相關的夾角；α＝ａｒｃｓｉｎ（ｚ↓［ｊ］↑［Ⅰ］ｓｉｎ（２π／３）／＊）；所述α代表相圖三角形的一邊與頂點（３）和總組成Ｚ↓［ｊ］連線的夾角，所述Ｚ↓［ｊ］↑［Ⅰ］代表總組成為Ｚ↓［ｊ］的液相中組份（１ ）的摩爾濃度，所述Ｚ↓［ｊ］↑［２］代表總組成為Ｚ↓［ｊ］的液相中組份（２）的摩爾濃度；４）、由上述初始液相總組成Ｚ↓［ｊ］、特征矢量參數Ｌ及夾角α關系，結合相平衡關系，求解一最小化優化問題：ｆ（Ｌ）＝｜∑ｘ↓［ｊ］↑［Ⅱ］－１｜； Ｘ↓［ｊ］↑［Ⅰ］代表頂點３與Ｚ↓［ｊ］交雙節線的交點，與所述Ｘ↓［ｊ］↑［Ⅰ］平衡的共軛相組成Ｘ↓［ｊ］↑［Ⅱ］為結線和雙節線的交點；５）、得特征矢量參數Ｌ的符號，并進行相應的判斷：當特征矢量參數Ｌ的符號為正時，則相應的液 相處于不穩定狀態，液相位于非均相區域，易自發分裂為兩個液相；相反，當特征矢量參數的符號為負時，相應的液相處于穩定狀態，液相位于均相區域時，仍將保持單個液相；同時，當特征矢量參數Ｌ的絕對值比較小時，液相的穩定性狀態處于臨界區域附近，相 應的初始液相摩爾組成位于相分界線、即雙節線附近；當特征矢量參數Ｌ為一個比較大的正數時，意味著給定液相非常的不穩定以至于很容易自發地分裂為兩個液相；當特征矢量參數Ｌ為一個比較大的負數時，意味著給定液相非常穩定，此時，當外界環境稍做改變時，液相也將保持穩定狀態。...

【技術特征摘要】
1.一種液相穩定性的判斷方法，選用了三組份體系等邊三角形相圖，其特征是依次包括以下步驟1)、給定一穩定性未知的初始液相總組成為Zj；2)、定義一幾何特征矢量參數L；3)、根據給定三組份體系的相圖及初始液相總組成Zj，計算與指定邊相關的夾角；α=arcsin(zj1sin(2π/3)(zj1)2+(zj2)2-2zj1zj2cos(2π/3));]]>所述α代表相圖三角形的一邊與頂點(3)和總組成Zj連線的夾角，所述Zj1代表總組成為Zj的液相中組份(1)的摩爾濃度，所述Zj2代表總組成為Zj的液相中組份(2)的摩爾濃度；4)、由上述初始液相總組成Zj、特征矢量參數L及夾角α關系，結合相平衡關系，求解一最小化優化問題f(L)=|&Sig...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王樹青，郭敏強，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：86[中國|杭州]