A flexible solution method for generalized equilibrium stage columns

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Abstract

This paper presents a flexible solution method for the process design and simulation of generalized equilibrium stage absorption or distillation columns for solving a wide range of multistage, multicomponent separation problems in the petroleum or petrochemical industries. Although the model was developed to increase the control flexibility of product components in a solution, it was found that it also increases the efficiency of convergence at the expense of greater core usage. The mathematical model includes overall material balances, component material balances, energy balances, summation equations and specification equations. These nonlinear equations are solved simultaneously via the matrix partitioning technique together with the popular Newton-Raphson iterative algorithm. The method is applicable for both absorption and distillation columns with multiple feeds and sidedraws. This model will offer more flexible choices of the column specifications such as tray temperature, overhead product rate, reflux ratio, boilup ratio, tray vapor/liquid flow and product purity/recovery. The composition dependent equilibrium and enthalpy correlations such as Chao-Seader, Grayson-Streed, and Soave-Redlich-Kwong are incorporated into the mathematical model. Most problems can be easily converged with less than ten iterations.

Abstract

On présente une méthode de résolution souple pour le calcul de procédés et la simulation de colonnes d'absorption ou de distillation, au moyen d'une technique généralisée de calcul du plateau théorique; l'objectif est de résoudre une grande variété de problèmes de séparations multiétagées et impliquant des mélanges complexes, dans les industries pétrolière et pétrochimique. Bien que le modèle ait été conçu pour accroi'tre la flexibilité du contro'le pour divers composants en solution, il se trouve qu'il améliore aussi la rapidité de la convergence aux dépens de l'étendue du domaine d'application. Le modèle mathématique comprend des bilansmatières globaux, des bilans-matières des composants, des bilans d'énergie, des équations de sommation et des équations spécifiques. On résout ces équations non linéaires simultanément par résolution matricielle et l'algorithme itératif bien connu de Newton-Raphson. La méthode s'applique à la fois aux colonnes d'absorption et de distillation impliquant des alimentations et soutirages multiples. Le modèle précité offre une plus grande flexibilité de choix, en ce qui a trait aux spécifications des colonnes telles que, la température du plateau, le débit du distillat de te'te, le rapport de reflux, le rapport d'ébullition, le rapport entre le débit de gaz et l'écoulement liquide sur un plateau et le rapport entre la pureté du produit et sa récupération. On introduit dans le modèle mathématique les corrélations pour les courbes d'équilibre et d'enthalpie qui dépendent de la composition, telles que celles de Chao et Seader, Grayson et Streed, Soave, Redlich et Kwong. Dans la plupart des problèmes, on peut obtenir facilement la convergence en employant moins de dix itérations.

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