蒸馏塔在运行状态变化时的建模制造技术

本发明专利技术涉及一种用于确定用于将原料流体流分离成各个流体组分的、具有多个塔级的蒸馏塔的状态的方法，其中，所述状态根据在相邻的塔级之间起主导作用的压力差借助于模型来确定，其中，在模型中，在所述相邻的塔级之间由在所述相邻的塔级之间起主导作用的所述压力差既引起气态流动也引起液态流动，其中，在模型中，表征两个塔级之间的气态流动的物质量流

Modeling of Distillation Tower under Variable Operating State

The present invention relates to a method for determining the state of a distillation column with multiple stages for separating the flow of feed fluid into various fluid components, in which the state is determined by means of a model based on a pressure difference that plays a dominant role between adjacent tower stages, in which the dominant role is played between the adjacent tower stages. The pressure difference described above causes both gaseous flow and liquid flow, in which the mass flow representing the gaseous flow between two towers is represented in the model.

【技术实现步骤摘要】
蒸馏塔在运行状态变化时的建模
本专利技术涉及一种用于确定具有多个塔级的、用于将原料流体流(Einsatzfluidstrom)分离成各个流体组分的蒸馏塔的状态的方法。
技术介绍
将原料流体流分离成各个流体组分的典型代表是空气分离。已知在(低温)空气分离设备(英语，airseparationunit，ASU)中通过空气的低温分离制造处于液态或气态的空气产物，并且例如在H.-W.(编者)，“IndustrialGasesProcessing”，Wiley-VCH，2006年，尤其在章节2.2.5，“CryogenicRectification(低温精馏)”中对此进行描述。空气分离设备具有蒸馏柱系统，所述蒸馏柱系统例如可以构造为两柱系统、尤其构造为经典的林德双柱系统但也可以构造为三柱系统或多柱系统。除了用于获得处于液态和/或气态的氮和/或氧(例如液态氧LOX、气态氧GOX、液态氮LIN和/或气态氮GAN)的蒸馏柱之外，即除了用于氮氧分离的蒸馏柱之外，可以设置用于获得其他空气组分的蒸馏柱，尤其是惰性气体氪、氙和/或氩。蒸馏柱也被称为蒸馏塔。空气分离设备通常静态(或者最多具有非常小的动态)地运行。在此，原料空气流借助于主空气压缩机抽吸并且压缩。压缩机功率通常稳定地保持在运行点上，针对该运行点设计所述设备。Seliger等，“ModellinganddynamicsofanairseparationrectificationcolumnaspartofanIGCCpowerplant”，SeparationandPurificationTechnology49(2006年)，136-148页，ElsevierScience，Amsterdam描述了蒸馏柱在稳定状态中的建模。
技术实现思路
由所述现有技术出发，提出一种具有权利要求1的特征的、用于确定具有多个塔级并用于将原料流体流分离成各个流体组分的蒸馏塔的状态的方法。有利的实施方式分别是从属权利要求以及下面的说明书的主题。本专利技术的一方面涉及这样一种方法，所述方法以蒸馏塔的新型模型为基础，其中，根据在相邻塔级之间起主导作用的压力来确定状态。以该方式确定的状态尤其通过用于每个塔级的温度和/或流体组分浓度来表征，因此优选同样考虑所述温度和/或流体组分浓度。本专利技术能够实现，模拟在动态状态下、即尤其在气态流动或液态流动消失或产生期间的蒸馏塔并从而模拟空气分离设备或者一般性的流体分离设备，然后基于其结果整体上不再仅静态地、而是动态地，例如具有可变的压缩机功率地，运行蒸馏塔并从而运行空气分离设备或者一般性的流体分离设备。由此尤其可以有针对性地对变化的需要和作为成本参量的示例的波动的能量价格(也用于调节能量(Regelenergie)，即电网运行商需要的能量，以便平衡在其电网中的非预期的功率波动)做出反应。例如能量价格在这期间部分随着时间非常强烈地波动，以至于从经济角度看流体分离设备的静态运行不再是最优的。然而至今未知能够足够准确地预知设备在原料流体流波动、在此尤其是完全消失或重新输入原料流体流时的行为的方法。尤其对可运行性、最大负载变换速度、对设备使用寿命的影响、优化控制和对产物质量的影响提出疑问。对于流体分离设备的动态而言重要的部件是蒸馏塔。这些设施不仅是质量和能量的存储器(所述存储器可以通过延迟元器件良好地描述)，而且示出温度、浓度、压力和负载曲线与(在塔高度上分布的)存储器容积的强烈非线性的关系。为了在模拟技术方面描绘该行为，需要克服一系列挑战：●塔的初始化/开始值计算在稳定态塔模型的较简单的情况下已经是困难的。●用于相平衡的方程(等逸度方程)必须关于相的消失方面稳定。●用于流体静力运行的方程(1D动量均衡)必须同样关于“干运转”方面稳定。●在设备模型内部的流必须在极端的运行情况下变为零或者变换流动方向。为此，本专利技术使用用于具有多个塔级的蒸馏塔的建模的新方案，基于对蒸馏塔的严格的动态热力学模拟，考虑随时间变化的参数。在此，将各个塔级(一般是所谓的填料(Packung)或底部)建模为平衡级。涉及一种基于方程的模拟方案，在该模拟方案中通过适配的牛顿方法同时解决模型方程(例如参见Hanke-Bourgeois，Martin“GrundlagendernumerischenMathematikunddeswissenschaftlichenRechnens”Studium.Vieweg+Teubner，Wiesbaden，第三版，2009年)。为了确定运行条件或状态随时间的变化，优选应用具有预估-修正法的后向差分方法，在该预估-修正法中首先产生方程系统针对时步n+1的近似解(参见BDF方法，英语BackwardDifferentiationFormulas)。所述近似解可以通过多项式获取，该多项式的系数由当前时步n和前一时步n-1获得。随后对于时步n+1，随时间变化的过程参量的估值的确定通过多项式函数的外推法实现。通过这些外推的开始值，在第二步骤中实施关于上述牛顿方法的解的精确修正。出于完整性的原因要提到，也可以使用其他的积分方法。塔运行的动态优化例如也可以通过配置方法(Kollokationsverfahren)实施。然而在此，与传统的方法技术不同，在本模型中通过进行驱动的总压力差引起所有的(气态的和液态的)流体运动。在这种被称为压力驱动的方案中，所有的流动路径通过阻力系数R和流导C来表征。在此，有利地，本专利技术使用新型的处理方式，在该处理方式中遵循以下形式的准线性方案：通过这种关联，将均衡元件(Bilanzelement)中的流体含量的特定参量按照不同均衡室之间的实际流量标定。根据模型方程而定，可以在数值方面更有利的是，确定R值或C值或者说通过与物质流相关的值的实施将线性方案扩展到非线性关联上，R和C可以是状态的函数。由此尤其得到压力-流量系统，该压力-流量系统总体上是线性的并且也可以用于零流动。在此，在压力网络中的两个节点(这里是塔级)之间的流动的物质量通过在这两个节点之间的总压力差Δp产生。阻力系数R既可以在最简单的情况下是恒定的，也可以在非线性的情况下通过得出的过程参量确定。通过流导C可以在即使有总压力差作用的情况下模拟零流动，这对于在系统中的流体动力过程的修正描绘可以是必须的。通过该方案和压力与流量关联的线性化可以稳定地计算出零流动和流动反向。为了描绘该过程，过程流不必再被明确地给出、即作为组分流和焓流的清单给出，而是隐含地作为流量函数存在，该流量函数作为假想膜左侧和右侧的状态的函数来描述所述通过假想膜的流量。因此，本专利技术提出一种模型，该模型可以示出蒸馏塔的完整运行范围，使得除了稳定态之外也可以确定动态状态，尤其是在从流体运动变换到零流动期间、在从零流动变换到流体运动期间、在单相气体流动变换到双相精馏期间或在双相精馏变换到单相气体流动期间。本专利技术的另一方面涉及一种用于运行尤其作为流体分离设备的一部分的蒸馏塔的方法，在所述方法中，参照蒸馏塔的上述模型，对于至少一个调节参量、例如原料流体流通流速率或压缩机功率，根据至少一个调控参量求得和调节要调节的调节参量值。所述调控参量尤其可以是产物品质、产物体积流量或产物质量流量。在此，原则上涉及一种所谓的模型预测控制(英语，mo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于确定蒸馏塔(12)的状态的方法，所述蒸馏塔具有多个塔级，用于将原料流体流分离成各个流体组分的，其中，所述状态根据在相邻的塔级之间起主导作用的压力差借助于模型来确定，其中，在所述模型中，在所述相邻的塔级之间由在所述相邻的塔级之间起主导作用的所述压力差既引起气态流动也引起液态流动，其中，在所述模型中，表征两个塔级之间的气态流动的物质量流

【技术特征摘要】
2017.10.18 EP 17020477.01.用于确定蒸馏塔(12)的状态的方法，所述蒸馏塔具有多个塔级，用于将原料流体流分离成各个流体组分的，其中，所述状态根据在相邻的塔级之间起主导作用的压力差借助于模型来确定，其中，在所述模型中，在所述相邻的塔级之间由在所述相邻的塔级之间起主导作用的所述压力差既引起气态流动也引起液态流动，其中，在所述模型中，表征两个塔级之间的气态流动的物质量流通过给出，并且表征两个塔级之间的液态流动的物质量流通过给出，其中，分别对于气相和液相，ΔpV,L是所述两个相邻的塔级之间的总压力差，RV,L是所述两个相邻的塔级之间的阻力系数并且CV,L是所述两个相邻的塔级之间的流动的流导。2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定在气态流动或液态流动消失或产生期间的状态。3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用正则函数，以便确定所述状态。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，气态流动或液态流动的所述消失或产生包括从流体运动到零流动的变换、从零流动到流体运动的变换、从单相气体流动到双相精馏的变换或者从双相精馏到单相气体流动的变换。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·托马斯，B·文德利希，
申请(专利权)人：林德股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE