一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法。包括反应条件输入流程、组分平衡分离流程和性能输出流程，其皆通过Matlab代码实现并集成。所述的反应条件输入流程确定了操作条件、反应组分及物性模型，并判断是否具有产物分离膜。组分平衡分离流程将膜反应器分为数个微元，基于吉布斯自由能最小的反应组分热力学平衡，分别对反应及分离过程依次计算直至收敛；对于无膜反应器则直接计算反应的热力学平衡。性能输出流程展示了反应器在热力学平衡下的反应组分占比及相关性能，本发明专利技术可实现带有产物分离膜的反应器平衡模拟，一体化模型具有高效、快速、通用、易耦合等特点。合等特点。合等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法


[0001]本专利技术涉及产物分离膜反应器领域，尤其涉及一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法。

技术介绍

[0002]传统反应器中的可逆反应体系由于热力学平衡的限制，无法实现反应物的完全转化。分离膜作为一种可以选择性透过组分的装置，广泛应用于提纯，电极制作，产物分离等领域。利用膜的产物分离特性，在传统反应器反应过程中持续不断的分离目标产物。基于Le Chatelier原理，打破了原有热力学平衡限制，实现了更高的目标产物产率及反应物转化率，同时了兼具了产物提纯功能。
[0003]针对产物分离膜反应器，目前已有实验和仿真模拟展示了膜反应器在促进化学反应转化的潜力。作为工业生产工艺的初步设计，仿真模拟方面主要通过一些商业软件(如ANSYS、COMSOL、ASPEN Plus)研究了膜反应器中的反应过程及其强化手段，但存在计算成本大，难以耦合外界模块等不足。然而，为了实现反应过程强化，通常需要进行大量计算或者结合优化算法获得特定反应体系的最佳反应条件。
[0004]此外，由于材料特性不同，产物分离膜的特性也不相同，如透氢膜(钯银复合)，透氧膜(钙钛矿)，透二氧化碳膜(沸石分子筛)等。不同产物分离膜在反应体系中的性能潜力对比少有研究，缺少产物分离膜的特性对比和膜设计指导方法。
[0005]因此，为了获得高效快速的产物分离膜反应器计算模型，同时适配多种的反应体系及膜类型。需要提出一种一体化建模方法，以对应的建立模型应用于反应系统工艺设计、操作条件优化和产物分离膜反应器设计指导，并探究产物分离膜对反应器的强化机理。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是提出一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法。本专利技术提出的方法可以对应的建立产物分离膜反应器模型，以应用于高效快速的设计、优化和指导，并可探究产物分离膜对反应器的强化机理。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法，建模方法皆通过Matlab代码实现，并集成为一个可由其他代码及软件调用的function函数，整个建模方法分为以下步骤依次进行：
[0009](1)在建模程序首部建立数据预处理模块，输入反应器对应的可逆反应体系需考虑的反应组分，选择物性模型计算各反应组分的物性；
[0010](2)输入反应操作条件：反应温度0～1200℃、反应压力1～50atm、反应物进料组分摩尔占比0～100％、反应物进料流量0～10mol/h；
[0011](3)设置反应器类型，由0和1表示无产物分离膜和有产物分离膜，通过if判断语句，若设置为0则进行步骤4中无产物分离膜反应器的计算，若设置为1则进行步骤5中有产
物分离膜反应器的计算；
[0012](4)对于无产物分离膜的反应器，结合步骤1中反应组分物性及步骤2中反应操作条件，计算整体的吉布斯自由能函数，通过吉布斯自由能最小原理计算实现热力学平衡时的各反应组分的摩尔占比，输出无产物分离膜的反应器的热力学平衡下反应组分的摩尔占比，其中吉布斯自由能函数按下述表达式表示：
[0013][0014]式中，G表示吉布斯自由能函数，g
i
表示反应组分i的吉布斯自由能，n
i
表示反应组分i的摩尔数；
[0015](5)对于有产物分离膜的反应器，输入膜厚度1～100μm、膜面积1～100cm2、膜侧渗透压力0～1atm及其渗透动力学参数；然后，将有产物分离膜的反应器分为数量1～∞个反应微元
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分离微元组，在每一反应微元
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分离微元组中，通过吉布斯自由能最小原理计算反应微元的热力学平衡状态下反应组分的摩尔占比；接下来，在分离微元中对分离微元进一步微分为更小微元，通过产物渗透量计算公式迭代计算，直至分离微元的单一产物分离量结果满足收敛准则；最后，依据循环算法依次对每一反应微元
‑
分离微元组计算，直至有产物分离膜的反应器的总产物分离量结果满足收敛准则，输出有产物分离膜的反应器的热力学平衡状态下反应组分的摩尔占比；
[0016](6)在建模程序尾部建立结果处理模块，结合由步骤4或5输出的反应器在热力学平衡下反应组分的摩尔占比，通过质量守恒定律转化为各反应组分流量；然后，对于无产物分离膜的反应器，计算并输出反应物转化率、产物产率比等性能结果，对于有产物分离膜的反应器，计算并输出反应物转化率、产物产率比、产物分离量、产物提取率、膜利用率等性能结果；
[0017]步骤1中，可逆反应体系需考虑的反应组分为该可逆反应体系的主要反应物和生成物，其中如甲烷水蒸气重整反应中反应组分为CH4、H2O、CO、CO2、H2，水煤气变换反应中反应组分为CO、CO2、H2O、H2，甲醇水蒸气重整反应中反应组分为CH3OH、H2O、CO、CO2、H2。
[0018]步骤1中，所述的物性模型的可选择范围为SRK、NRTL、PR、WILSON、UNIFAC、NIST。
[0019]步骤5中，所述的有产物分离膜的反应器分为可变数量个反应微元
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分离微元组，每一反应微元
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分离微元组对反应微元与分离微元依次计算，各反应组分的摩尔占比在每次计算后更新并保存；
[0020]步骤5中，所述的收敛准则对于分离微元表示为继续增加一分离微元对结果相对影响小于0.001％；收敛准则对于有产物分离膜的反应器表示为继续增加一反应微元
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分离微元组对结果相对影响小于0.001％。
[0021]所述的反应微元
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分离微元组中的反应微元中，通过热力学平衡计算获得局部热力学平衡下反应组分的摩尔占比，然后将局部热力学平衡下反应组分的摩尔占比导入分离微元作为初始反应组分条件。
[0022]所述的反应微元
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分离微元组中的反离微元中，基于反应组分中被分离产物的分压力差驱动，通过产物渗透量计算公式计算分离产物量，其中产物渗透量计算公式按下述表达式表示：
[0023][0024]式中，Q
pro
为产物分离量，ε为产物分离膜有效因子，A
mem
为产物分离膜面积，α为渗透动力学指前因子，E为分离活化能，T为温度，P为产物的分压力(rea和pen分别代表反应侧和渗透分离侧)，δ
mem
为产物分离膜的厚度。
[0025]所述的分离微元中，将分离微元微分为1～∞个更小的微分离微元，迭代计算每一个微分离微元的产物分离量并累积为分离微元的单一产物分离量，其中反应组分的摩尔占比在每次计算中更新并保存。
[0026]本专利技术提出的方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0027](1)通用性强。反应条件输入流程1允许自定义操作条件和反应组分，组分平衡分离流程2允许自定义膜参数和微元参数。因此，适用于多种反应体系的反应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法，其特征在于：所述的建模方法皆通过Matlab代码实现，并集成为一个可由其他代码及软件调用的function函数，整个建模方法分为以下步骤依次进行：(1)在建模程序首部建立数据预处理模块，输入反应器对应的可逆反应体系需考虑的反应组分，选择物性模型计算各反应组分的物性；(2)输入反应操作条件：反应温度0～1200℃、反应压力1～50atm、反应物进料组分摩尔占比0～100％、反应物进料流量0～10mol/h；(3)设置反应器类型，由0和1表示无产物分离膜和有产物分离膜，通过if判断语句，若设置为0则进行步骤4中无产物分离膜反应器的计算，若设置为1则进行步骤5中有产物分离膜反应器的计算；(4)对于无产物分离膜的反应器，结合步骤1中反应组分物性及步骤2中反应操作条件，计算整体的吉布斯自由能函数，通过吉布斯自由能最小原理计算实现热力学平衡时的各反应组分的摩尔占比，输出无产物分离膜的反应器的热力学平衡下反应组分的摩尔占比，其中吉布斯自由能函数按下述表达式表示：式中，G表示吉布斯自由能函数，g
i
表示反应组分i的吉布斯自由能，n
i
表示反应组分i的摩尔数；(5)对于有产物分离膜的反应器，输入膜厚度1～100μm、膜面积1～100cm2、膜侧渗透压力0～1atm及其渗透动力学参数；然后，将有产物分离膜的反应器分为数量1～∞个反应微元
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分离微元组，在每一反应微元
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分离微元组中，通过吉布斯自由能最小原理计算反应微元的热力学平衡状态下反应组分的摩尔占比；接下来，在分离微元中对分离微元进一步微分为更小微元，通过产物渗透量计算公式迭代计算，直至分离微元的单一产物分离量结果满足收敛准则；最后，依据循环算法依次对每一反应微元
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分离微元组计算，直至有产物分离膜的反应器的总产物分离量结果满足收敛准则，输出有产物分离膜的反应器的热力学平衡状态下反应组分的摩尔占比；(6)在建模程序尾部建立结果处理模块，结合由步骤4或5输出的反应器在热力学平衡下反应组分的摩尔占比，通过质量守恒定律转化为各反应组分流量；然后，对于无产物分离膜的反应器，计算并输出反应物转化率、产物产率比等性能结果，对于有产物分离膜的反应器，计算并输出反应物转化率、产物产率比、产物分离量、产物提取率、膜利用率等性能结果。2.根据权利要求1所述的一种基于热力学平衡的产物分离膜反应器的一体化建模方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫卫，唐鑫源，白晓帅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：