内部热耦合精馏塔稳态流程模拟系统及方法技术方案

一种内部热耦合精馏塔稳态流程模拟系统，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，用以采集当前生产工况数据；求解计算主模块，过程：１）设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；２）假定各塔板液相组成；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；６）判断式（４）是否成立，如果成立，则继续，否则，更新各塔板液相组成。以及提出了一种内部热耦合精馏塔稳态流程模拟方法。本发明专利技术能够快速准确模拟内部热耦合精馏塔稳态流程、模拟精度高、效率高。

【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
自二十世纪七十年代经历两次“石油危机”，能源成为全球关注的问题以来，节能作为解决能源危机问题的根本途径之一，逐渐受到各国的高度重视。 精馏过程是石油炼制、石油化工和其它化工过程中应用最为广泛的传质单元操作过程，也是石油化工领域中能耗最大的单元操作之一，其能耗约占化工厂总能耗的三分之一，有时甚至还更多。美国的统计数据表明，美国1976年精馏耗能约占全国总能耗的3％，如果精馏过程节能10％，相当于每天节省100000桶石油，若以当时的每桶石油40美元计算，相当于美国1976年的精馏过程的操作费用每天可以节省400万美元，全年仅精馏过程可以节省约15亿美元。 从二十世纪七十年代以来，研究者已经从热力学、操作原理等角度提出了大量的精馏过程的节能方法。内部热耦合精馏塔是这些方法中最吸引人的一种，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。稳态流程模拟的目的，就是用适宜的系统数学模型来预测一个建立的过程或现存的过程的稳态性能。内部热耦合精馏塔稳态流程模拟在整个精馏设备的设计中占有重要的地位，直接影响到能否为用户提供满足产品要求且高校运行的精馏设备。流程模拟是流程设计及流程优化的先导，只有通过大量的流程计算找到力量、压力、纯度等参数之间的关系，才能进行流程的分析、控制以及优化等。
技术实现思路
为了克服目前内部热耦合精馏塔流程模拟系统模拟精度不高、效率较低的不足，本专利技术提供一种能够快速准确模拟内部热耦合精馏塔稳态流程、模拟精度高、效率高的。 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稳态流程模拟系统，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，指定进料流量初值； 2)假定各塔板液相组成； 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)判断下式(4)是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，返回3)迭代； 其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1，...，M表示组分，M表示组分数。 作为优选的一种方案所述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(8) 其中，Φ表示逸度系数，R是气体常数，T是温度，P是塔板压强，下标m＝1，...，M表示组分，M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(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 对汽相 令 AG＝aGP/R2T2 (22) BG＝bGP/RT(23) αG＝2BG-1(24) 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(28) 对液相 令 AL＝aLP/R2T2(32) BL＝bLP/RT (33) αL＝2BL-1 (34) 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 (38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(40) Ωb＝0.070721(41) τ＝0.01T(42) 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表示第i组分和第m组分的二元交互系数ki，m是常数，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稳态流程模拟系统实现的稳态流程模拟方法，所述的稳态流程模拟方法包括以下步骤 1)设定塔的结构参数，采集塔的生产工况数据； 2)假定各塔板液相组成； 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，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)； 6)判断式(4)是否成立，如果成立，则停止迭代，输出结果，否则，更新液相组成，返回步骤3)迭代； 其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1，...，M表示组分，M表示组分数。 作为优选的一种方案所述步骤3)中，由泡点法计算平衡温度和汽相组成的过程如下 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(8) 其中，Φ表示逸度系数，R是气体常数，T是温度，P是塔板压强，下标m＝1，...，M表示组分，M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由物性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内部热耦合精馏塔稳态流程模拟系统，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，指定进料流量初值；２）假定各塔板液相组成；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：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）判断下式（４）是否成立，如果成立，则继续７），否则，更新各塔板液相组成，返回３）迭代；Ｖ↓［ｊ＋１］ｙ↓［ｉ，ｊ＋１］＋Ｕ↓［ｊ－１］ｘ↓［ｉ，ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］ｚ↓［ｉ，ｊ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）ｙ↓［ｉ，ｊ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）ｘ↓［ｉ，ｊ］＜０．０００１（４）其中，ｘ是液相组成，ｙ是汽相组成，ｚ是进料组成，下标ｉ＝１，．．．，Ｍ表示组分，Ｍ表示组分数。...

【技术特征摘要】
1.一种内部热耦合精馏塔稳态流程模拟系统，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，指定进料流量初值；2)假定各塔板液相组成；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)判断下式(4)是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，返回3)迭代；其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1，...，M表示组分，M表示组分数。2.如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔稳态流程模拟系统，其特征在于所述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(8)其中，Ф表示逸度系数，R是气体常数，T是温度，P是塔板压强，下标m＝1，...，M表示组分，M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或2所述的内部热耦合精馏塔稳态流程模拟系统，其特征在于所述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稳态流程模拟系统，其特征在于所述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(14)Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17)Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18)Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(19)对汽相令AG＝aGP/R2T2(22)BG＝bGP/RT(23)αG＝2BG-1(24)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(28)对液相令AL＝aLP/R2T2(32)BL＝bLP/RT(33)αL＝2BL-1(34)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(38)Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(40)Ωb＝0.070721(41)τ＝0.01T(42)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表示第i组分和第m组分的二元交互系数ki，m是常数，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或2所述的内部热耦合精馏...

【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]