空分塔稳态流程模拟系统及方法技术方案

一种空分塔稳态流程模拟系统，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，用以进行求解计算，过程为：１）设定塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值；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）判断下式（３）是否成立，如果成立，则停止迭代，输出结果；否则，更新各塔板液相组成以及提出了一种空分塔稳态流程模拟方法。本发明专利技术提供一种能够准确模拟空分塔稳态流程的空分塔稳态流程模拟系统及方法。

【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、氮气和氩气在一个国家国民经济中的应用十分广泛。空气中含有约78. 12% 的氮、20. 95%的氧、0. 93%的氩(体积含量)和少量的二氧化碳、氖、氦、氢、氛、水蒸气(根 据空气的湿度)等，是制取氧、氮、氩等产品的原料气。低温空气分离法(cryogenic air s印aration)是利用空气中氧、氮、氩等组分沸点(挥发度)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。 能源危机的加深，强烈地促进了许多领域能源的有效利用。在能耗很大的空气分 离工业中，能源成本占了空气产品价格的75%。于是出现这样的情况，一方面，由于现代工 业的发展，一些大型工业项目如钢铁工业、化学工业、石油开采等都需要由大型空分装置提 供空气制品，需求量也越来越大。另一方面，能耗成本也随着能源危机，变得越来越大。因 此在这样的形势下，提高空气分离技术的能量效率显得刻不容缓。 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。空分流程模拟在整个空分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空分设备。空分流程模拟是 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流量、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
为了克服现有的空分工业过程不能准确模拟空分塔稳态流程的不足，本专利技术提供一种能够准确模拟空分塔稳态流程的。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 —种空分塔稳态流程模拟系统，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，用以进行求解计算，采用以下过程来完成 1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值； 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 +^7^ +巧《-化-(q 令o (1 ) f^+^+if+《-(K+5f)-(巧+《)二0 (2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示进料流量，HF表示进料焓值，S表示 t，和HL分别是汽液相焓值，下标j_l、 j、 j+l分别表示第j_l、 j、 j+l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jf =0.2425361nV:+3.561553 (38) b v丄-0.561553^ q ai = C「Di t +Ei t 2-Wi t 3 (39) Qb = 0.070721 (40) t = 0. 01T (41) 其中，A、B、 a 、 |3 、 y、 t是中间变量，C、 D、 E、 W是常数，T。、 P。、 V。、 Z。分别是临界 温度、压力、体积和压縮因子，^是对比压力，R是气体常数，ku表示第i组分和第m组分 的二元交互系数，km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，Qa、 Qb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。 —种空分塔稳态流程模拟方法，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^《+^i^+巧《-化+5f)《-(巧《)坷-g =0 ( 1 ) +厂i +《+《-(K. +《)=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，HF表示进料烚值，S表示侧提流量，下标j_l、 j、 j+1分别表示第j_l、 j、 j+1块板，Q表示塔板传出的热量； 6)判断式(3)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； f>,J+I ,+《《-化-(巧〈0.0001 (3 ) 其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i = 1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧。 作为优选的一种方案所述步骤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2y ^附^ m1《=ln~~-;(1-Z +《V(^-~m f ')/^i r (4) 附K,(Df/《 (6)yi = KiXi (7)其中，①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，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lA b\ bp ^、 a\ ai,m、 ； e、 ； \汽相压縮因子Z^液相压縮因子由物性参数计算方法计算； 3. 3)检验<0.000堤否成立，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。0098] 作为优选的再一种方案所述的步骤4)中，焓计算方法过程如下,]一 一' J ' ^r3 ' ,-T4 0100]0103] 其中表示第i个纯组分理想气体的烚值，H*是混合物理想气体烚值，c、d、e、f 、 h为常数。0104] 作为优选的另一种方案所述的物性参数计算方法过程如下/r = c.+《+《r++ ;^:r0101] //u =/r _灯(i_moG_r0102] w 灯(1—z丄X(^—r——)/V(8)(9)(10)(11)0105] 0106] 0107]0108]0109] 0110]b,.=u、(13)0112] 0113]0114]0115] 0116] 0117] 0118] 0119] 0120] 0121] 0122] 0123] 0124]^=0.125(0 O3Zci,m = 0.5(Zci+ZCm)Pci ， m RTci ， mZci ， m/Vci ， m Qai,m = 0.5(Qai+Qanl)对汽相令AG = aGP/R2T2 BG = bGP/RT a G = 2BG_1(12)(14)(15)(17)(16)(18)(19)(20)(21)(22)(23)=2(5G3取初值为1-0. 6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压縮因子ZezG3 + gzg2 + , =0则，vG = RT/PZG (27)(24)(25)(26)0125,0126: 0127:0128: 0129:0130: 0131:0132: 0133: 0134: 0135: 0136: 0137: 0138:0139'f =0.242536 InvG+3.561553Z/ vG-0.5615536(对液相1 =Z2> ,,,a(28)(29)(30)令AL : BL :aLP/R2T2 bLP/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空分塔稳态流程模拟系统，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，用以进行求解计算，采用以下过程来完成：１）设定塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值；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表示塔板传出的热量；６）判断下式（３）是否成立，如果成立，则停止迭代，输出结果；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（３）其中，ｘ是液相组成，ｙ是汽相组成，ｚ是进料组成，下标ｉ＝１、２、３表示组分，依次对应氮、氩、氧。...

【技术特征摘要】
一种空分塔稳态流程模拟系统，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，用以进行求解计算，采用以下过程来完成1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值；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 <mrow><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msubsup> <mi>H</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>G</mi></msubsup><mo>+</mo><msub> <mi>U</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msubsup> <mi>H</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mo>+</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>j</mi></msub><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>F</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>G</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>U</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>L</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><mo>-</mo><msub> <mi>Q</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>U</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>G</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>U</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>L</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>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)判断下式(3)是否成立，如果成立，则停止迭代，输出结果；否则，更新各塔板液相组成，返回3)迭代； <mrow><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>U</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>z</mi&...

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