内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统及方法技术方案

一种内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，上位机包括：信号采集模块，求解计算主模块，过程：设定塔的结构参数和操作参数，设定起始时刻ｔｓｔａｒｔ，终止时刻ｔｅｎｄ；指定初始时刻的各塔板液相组成和液相流量，令当前迭代时间ｔ＝ｔｓｔａｒｔ；对每一个塔板，分别其平衡温度和汽相组成、汽液相的焓值、汽液相流量和（ｔ＋Δｔ）时刻的各塔板液相组成和液相流量；令ｔ＝ｔ＋Δｔ，用新的各塔板液相组成和液相流量返回迭代，直到ｔ≥ｔｅｎｄ，结束迭代，输出结果。以及提出了一种内部热耦合空分塔动态流程模拟方法。本发明专利技术提供一种能够快速准确模拟内部热耦合空分塔动态流程的系统及方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精馏领域，特别地，涉及一种。
技术介绍
内部热耦合精馏技术是至今为止所提出的四大节能精馏技术中节能效能最高的一项节能技术，在世界范围内得到了巨大的重视。内部热耦合精馏塔减少了常规精馏塔的冷凝器和再沸器的热负荷，让热量从精馏段传向提馏段，因此精馏段需要工作在比提馏段高的压力和温度下。为了调节工作压力，一个压缩机和一个节流阀被安排在两部分之间。由于精馏段与提馏段的压力差和热耦合结构，一定数量的热量从精馏段传向提馏段，从而给精馏段提供向下的回流液，给提馏段提供向上的蒸汽流。精馏段的流速向上递减而提馏段的流速向下递减。通过热量的内部耦合，可以去掉常规的再沸器和冷凝器，大量的能量被再利用，从而大幅度的降低了能耗。研究结果表明，内部热耦合精馏塔与常规精馏塔最小回流比下的能耗和操作费用相比还可以节省30％以上。 流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析优化，还是过程系统的合成，都是以流程模拟为基础的。动态流程模拟也被称为非稳态模拟，其过程中系统内部的变量以及操作参数都随时间而变化，没有恒定的数值。在工业生产中，非稳定状态或动态的过程是普遍存在的，因为在实际操作中，各个操作参数和过程变量都不可避免地受到人为的或者非人为的扰动而随着时间变化。通过内部热耦合精馏塔动态流程模拟分析精馏塔的动态特性和响应，是流程设计和控制的先决条件。
技术实现思路
为了克服目前内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统的模拟精度不高、求解效率较低的不足，本专利技术提供一种能够准确模拟内部热耦合精馏塔动态流程、模拟精度高、求解效率较高的。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 一种内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，所述现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连接，所述的上位机包括 信号采集模块，用以采集当前生产工况数据； 求解计算主模块，用以求解计算，采用以下过程来完成 1)设定塔的结构参数和操作参数，设定起始时刻tstart，终止时刻tend； 2)指定初始时刻的各塔板液相组成和液相流量，令当前迭代时间t＝tstart； 3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成； 4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值； 5)由式(1)(2)计算各塔板的汽液相流量 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示进料流量，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL分别是汽液相焓值，下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，上标L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算 Q＝UAΔT(3) 其中，UA表示热耦合系数，ΔT表示耦合塔板间的温差； 6)计算(t+Δt)时刻的各塔板液相组成和液相流量 其中，Δt是迭代步长，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面积，l是塔板堰长，下标i＝1，...n表示组分，n表示组分数，上标(t)和(t+Δt)分别表示时刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式计算 其中hw是溢流堰高； 7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相组成和液相流量返回3)迭代，直到t≥tend，结束迭代，输出结果。 作为优选的一种方案所述的上位机还包括泡点法模块，用以由泡点法计算其平衡温度和汽相组成，其过程如下 3.1)假定塔板平衡温度； 3.2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成 yi＝Kixi(12) 其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温度，P是塔板压强，下标m＝1，...n表示组分，n表示组分数，摩尔体积v、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL由物性模块计算； 3.3)检验是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新塔板平衡温度，返回3.2)继续迭代。 作为优选的另一种方案所述的上位机还包括焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下 其中Hi*表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，c、d、e、f、h为常数。 作为优选的再一种方案所述的上位机还包括物性模块，用以计算物性参数，其过程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 对汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1(28) 取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG 则， vG＝RT/PZG(32) 对液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 取初值为Pr(0.106+0.078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子ZL 则， vL＝RT/PZL (42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44) Ωb＝0.070721(45) τ＝0.01T(46) 其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m是常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，下标c表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标i，m表示第i组分和第m组分的二元混合物。 进一步，所述的上位机还包括结果显示模块，用于将计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将计算结果传递到现场操作站进行显示。 一种用所述的内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统实现的流程模拟方法，所述的流程模拟方法包括以下步骤 1)设定塔的结构参数，采集生产工况数据，设定起始时刻tstart，终止时刻tend； 2)指定初始时刻的各塔板液相组成和液相流量，令当前迭代时间t＝tstart； 3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成； 4)对每一个塔板，计算其汽液相的焓值； 5)联立式(1)(2)计算各塔板的汽液相流量 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示进料流量，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，Q表示热耦合量，由下式计算 Q＝UAΔT(3)； 其中，UA表示热耦合系数，ΔT表示耦合塔板间的温差； 6)计算(t+Δt)时刻的各塔板液相组成和液相流量 其中，Δt是迭代步长，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面积，l是塔板堰长，下标i＝1，...n表示组分，n表示组分数，上标(t)和(t+Δt)分别表示时刻t和t+Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，所述现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连接，其特征在于：所述的上位机包括：信号采集模块，用以采集当前生产工况数据；求解计算主模块，用以求解计算，采用以下过程来完成：１）设定塔的结构参数和操作参数，设定起始时刻ｔｓｔａｒｔ，终止时刻ｔｅｎｄ；２）指定初始时刻的各塔板液相组成和液相流量，令当前迭代时间ｔ＝ｔｓｔａｒｔ；３）对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；４（Ｕ↓［ｊ］／ρ↓［ｊ］ｌ↓［ｊ］）↑［２／３］］（８）其中ｈ↓［ｗ］是溢流堰高；７）令ｔ＝ｔ＋Δｔ，用新的各塔板液相组成和液相流量返回３）迭代，直到ｔ≥ｔｅｎｄ，结束迭代，输出结果。４）对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；５）由式（１）（２）计算各塔板的汽液相流量：Ｖ↓［ｊ＋１］Ｈ↓［ｊ＋１］↑［Ｇ］＋Ｕ↓［ｊ－１］Ｈ↓［ｊ－１］↑［Ｌ］＋Ｆ↓［ｊ］Ｈ↓［ｊ］↑［Ｆ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｇ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｌ］－Ｑ↓［ｊ］＝０（１）Ｖ↓［ｊ＋１］＋Ｕ↓［ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｇ］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｌ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）＝０（２）其中，Ｖ表示汽相流量，Ｕ表示液相流量，Ｆ表示进料流量，Ｈ↑［Ｆ］表示进料焓值，Ｓ表示侧提流量，Ｈ↑［Ｇ］和Ｈ↑［Ｌ］分别是汽液相焓值，下标ｊ－１、ｊ、ｊ＋１分别表示第ｊ－１、ｊ、ｊ＋１块板，上标Ｌ表示液相，上标Ｇ表示汽相，Ｑ表示热耦合量，由下式计算：Ｑ＝ＵＡΔＴ（３）其中，ＵＡ表示热耦合系数，ΔＴ表示耦合塔板间的温差；６）计算（ｔ＋＋Δｔ）时刻的各塔板液相组成和液相流量：ｄｘ↓［ｉ，ｊ］／ｄｔＭ↓［ｊ］＝Ｕ↓［ｊ－１］ｘ↓［ｉ，ｊ－１］＋Ｖ↓［ｊ＋１］ｙ↓［ｉ，ｊ＋１］＋Ｆ↓［ｊ］ｚ↓［ｉ，ｊ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）ｘ↓［ｉ，ｊ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）ｙ↓［ｉ，ｊ］－［Ｕ↓［ｊ－１］＋Ｖ↓［ｊ＋１］＋Ｆ↓［ｊ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）］ｘ↓［ｉ，ｊ］（４）ｄＵ↓［ｊ］／ｄｔ＝５１８．１３ρ↓［ｊ］↑［－１／３］Ａ↓［ａ］↑［－１］ｌ↑［２／３］Ｕ↓［ｊ］↑［１／３］［Ｕ↓［ｊ－１］＋Ｖ↓［ｊ＋１］＋Ｆ↓［ｊ］－（Ｕ↓［ｊ］...

【技术特征摘要】
1.一种内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，所述现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连接，其特征在于所述的上位机包括信号采集模块，用以采集当前生产工况数据；求解计算主模块，用以求解计算，采用以下过程来完成1)设定塔的结构参数和操作参数，设定起始时刻tstart，终止时刻tend；2)指定初始时刻的各塔板液相组成和液相流量，令当前迭代时间t＝tstart；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；5)由式(1)(2)计算各塔板的汽液相流量其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示进料流量，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL分别是汽液相焓值，下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，上标L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算Q＝UAΔT(3)其中，UA表示热耦合系数，ΔT表示耦合塔板间的温差；6)计算(t++Δt)时刻的各塔板液相组成和液相流量其中，Δt是迭代步长，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面积，l是塔板堰长，下标i＝1，...n表示组分，n表示组分数，上标(t)和(t+Δt)分别表示时刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式计算其中hw是溢流堰高；7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相组成和液相流量返回3)迭代，直到t≥tend，结束迭代，输出结果。2.如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统，其特征在于所述的上位机还包括泡点法模块，用以由泡点法计算其平衡温度和汽相组成，其过程如下3.1)假定塔板平衡温度；3.2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成yi＝Kixi(12)其中，Ф表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温度，P是塔板压强，下标m＝1，...n表示组分，n表示组分数，摩尔体积v、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL由物性模块计算；3.3)检验是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新塔板平衡温度，返回3.2)继续迭代。3.如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统，其特征在于所述的上位机还包括焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下其中Hi*表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，c、d、e、f、h为常数。4.如权利要求2所述的内部热耦合精馏塔动态流程模拟系统，其特征在于所述的上位机还包括物性模块，用以计算物性参数，其过程如下bi＝ΩbRTci/Pcia(18)Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21)Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22)Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(23)对汽相令AG＝aGP/R2T2(26)BG＝bGP/RT(27)αG＝2BG-1(28)取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG则，vG＝RT/PZG(32)对液相令AL＝aLP/R2T2(36)BL＝bLP/RT(37)αL＝2BL-1(38)取初值为Pr(0.106+0.078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子ZL则，vL＝RT/PZL(42)Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44)Ωb＝0.070721(45)τ＝0.01T(46)其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m是常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，下标c表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标i，m表示第i组分和第m组分的二元混合物。5.如权利要求1所述...

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