空分塔动态流程模拟系统及方法技术方案

一种空分塔动态流程模拟系统，包括与空分塔连接的现场智能仪表、以及控制站、数据库和上位机，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，过程为：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，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成、汽液相的焓值；由式（１）（２）计算各塔板的汽液相流量；计算（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迭代，直到ｔ≥ｔｅｎｄ，结束迭代，输出结果。以及提出了一种空分塔动态流程模拟方法。本发明专利技术提供一种能够准确模拟空分塔动态流程的系空分塔动态流程模拟统及方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空分领域，特别地，涉及一种。
技术介绍
氧气、氮气和氩气的应用十分广泛。氧气可用于钢铁制造、化工工艺、金属加工、玻璃制造、石油回收和精炼、造纸、保健服务、航天国防等。氮气在冶金工业、石油回收和精炼、金属生产和加工、电子工业、化学工业中广泛地用于保护气体。氩气在飞机制造、造船、原子能工业和机械工业部门用作保护气，同时在电子、照明行业也有非常重要的应用。低温空气分离法是利用空气中氧、氮、氩等组分沸点的不同，使用精馏的方法分离低温液态空气而得到高纯度的氧、氮、氩产品。它是当前国内外空气分离行业应用最为广泛的方法。在空气分离工业中，能源成本占了空气产品价格的75％。因此在能源危机不断加深的形势下，提高空气分离技术的能量效率具有重要的社会和经济意义。 随着计算机技术的飞速发展，对实际系统建立数学模型，应用计算机对其进行仿真已经成为科学研究的重要手段之一。实际空分过程的变量很多，而能够测量的变量是有限的，有些变量则难以测量，且不易测准。进行动态流程模拟能够从计算机上准确地观察到各种变量的变化情况。通过空分塔动态流程模拟分析空分塔的动态特性和响应，是空分塔流程设计和控制的先决条件。
技术实现思路
为了克服现有的空分工业过程的不能准确模拟空分塔动态流程的不足，本专利技术提供一种能够准确模拟空分塔动态流程的系统及方法。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 一种空分塔动态流程模拟系统，包括与空分塔连接的现场智能仪表、以及控制站、数据库和上位机，智能仪表与控制站、数据库、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表示塔板传出的热量； 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、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，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(11) 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、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，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(17) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(20) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(21) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (22) 对汽相 令 AG＝aGP/R2T2(25) BG＝bGP/RT (26) αG＝2BG-1 (27) 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 (31) 对液相 令 AL＝aLP/R2T2(35) BL＝bLP/RT (36) αL＝2BL-1 (37) 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 (41) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (43) Ωb＝0.070721 (44) τ＝0.01T (45) 其中，A、B、α、β、γ、τ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，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，Ωa、Ωb是中间变量。 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。 一种空分塔动态流程模拟方法，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表示塔板传出的热量； 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、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，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步骤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步骤3)中，泡点法计算其平衡温度和汽相，采用以下过程完成 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(11) 其中，Φ表示逸度系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空分塔动态流程模拟系统，包括与空分塔连接的现场智能仪表、以及控制站、数据库和上位机，智能仪表与控制站、数据库、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。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表示塔板传出的热量；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］（３）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］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）］（４）ｘ↓［ｉ，ｊ］↑［（ｔ＋Δｔ）］＝ｘ↓［ｉ，ｊ］↑［（ｔ）］＋ｄｘ↓［ｉ，ｊ］／ｄｔΔｔ（５）Ｕ↓［ｊ］↑［（ｔ＋Δｔ）］＝Ｕ↓［ｊ...

【技术特征摘要】
1.一种空分塔动态流程模拟系统，包括与空分塔连接的现场智能仪表、以及控制站、数据库和上位机，智能仪表与控制站、数据库、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表示塔板传出的热量；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、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，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所述的空分塔动态流程模拟系统，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 (11)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、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，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所述的空分塔动态流程模拟系统，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所述的空分塔动态流程模拟系统，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(17)Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(20)Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(21)Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (22)对汽相令AG＝aGP/R2T2 (25)BG＝bGP/RT(26)αG＝2BG-1(27)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(31)对液相令AL＝aLP/R2T2 (35)BL＝bLP/RT(36)αL＝2BL-1(37)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(41)Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (43)Ωb＝0.070721 (44)τ＝0.01T (45)其中，A、B、α、β、γ、τ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，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，Ωa、Ωb是中间变量。5.如权利要求1或2所述的空分塔动态流程模拟系统，其特征在...

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