内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统及方法技术方案

一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，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：优化计算模块，用以优化计算，过程：设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；假定各塔板液相组成；对每一个塔板，分别计算其平衡温度和汽相组成和汽液相的焓值；判断条件是否成立，如果成立则继续，否则更新各塔板液相组成；判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，继续迭代。以及提出了一种生产潜力优化方法。本发明专利技术能在保持产品纯度满足生产要求的前提下使得内部热耦合精馏塔生产能力最大、降低单位产品能耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精馏节能领域，特别地，涉及一种。
技术介绍
内部热耦合精馏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。 过程优化是生产过程设计开发的关键，对于提高过程经济效益具有极为显著的作用。它是指在过程系统性能、特点所给定的约束条件下，找到使系统的效能指标或者目标函数达到最小(最大)的设备参数和操作条件。内部热耦合精馏塔塔生产潜力优化是指在保持产品纯度满足生产要求的前提下，找到使得精馏塔产量最大的操作条件，降低单位产品能耗，从而达到节能降耗的目的。
技术实现思路
为了克服目前内部热耦合精馏过程尚无生产潜力优化系统、单位产品能耗较高的不足，本专利技术提供一种能在保持产品纯度满足生产要求的前提下使得内部热耦合精馏塔生产能力最大、降低单位产品能耗的。 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生产潜力优化系统，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 优化计算模块，用以优化计算，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； 7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回2)继续迭代。 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，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，...，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，用于将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化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生产潜力优化系统实现的生产潜力优化方法，所述的生产潜力优化方法包括以下步骤 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，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，则继续步骤7)，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； 7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回步骤2)继续迭代。 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，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，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：优化计算模块，用以优化计算，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；７）判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回２）继续迭代。...

【技术特征摘要】
1.一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，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优化计算模块，用以优化计算，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；7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回2)继续迭代。2.如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，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，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，...，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生产潜力优化系统，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生产潜力优化系统，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塔生产潜力优化系统，其特...

【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]