内部热耦合空分塔非平衡级节能控制系统及方法技术方案

一种内部热耦合空分塔非平衡级节能控制系统，包括与内部热耦合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，节能控制模块，过程：设定塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值；假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；计算液相传质通量、汽液相主体的焓值、汽液相有效传质系数、液相界面组成、汽相界面组成；如满足条件则继续，否则更新各塔板；如氮气、氧气的纯度和产量不满足当前生产工况要求则结束迭代输出结果，否则将空气进料流量增加一个迭代步长。以及提出了一种内部热耦合空分塔非平衡级节能控制方法。本发明专利技术在当前生产工况条件下使得内部热耦合空分塔单位能耗最小，并提高节能性。

【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。低温空气分离法是当前国内外空气分离行业 应用最为广泛的方法。在空气分离行业中，能源成本占了空气产品价格的75%。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。 内部热耦合精馏技术最初是至今为止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。在低温空分过程中，空分塔是一个重要的 操作单元，也是最重要的耗能单元。通过对内部热耦合技术的研究发现该技术的实现，需 要过程装置中具有不同高低压强的区域，而常规空分装置本身的工艺流程就给出了这样区 域；研究表明内部热耦合技术在高纯度产品生产过程上将具有更大的经济效益，而空分过 程恰好是一个产品纯度要求极高的过程；内部热耦合精馏技术在低操作温度情况下更加有 利于发挥它的节能潜力，而常规空分装置本身就是低温精馏；内部热耦合精馏技术在处理 沸点接近的物系时，能体现出很高的节能效率，而空气中氮 一 氩 一 氧三元物系又恰好满足 了这个要求，也为热耦合技术的应用开发提高了非常有利条件。因此，内部热耦合技术可以 被应用到空分过程，改变传统空分塔结构，达到良好的节能效果。 非平衡级模型，又称速率模型，是建立在传质和传热速率方程上的多元分离过程 模型。非平衡级模型抛弃了平衡级假设，而保留了全混级假设，不需要进行效率计算，按实 际塔板计算，可以得到更加精确的组分、效率和温度等分布。内部热耦合空分塔非平衡级节 能控制是指基于内部热耦合空分塔非平衡级模型，在满足产品纯度要求的前提下，不断计 算并改变空分塔的进料流量，使得空分过程始终运行在产量最大即单位能耗最小的状态。
技术实现思路
为了克服现有的空分塔的内部热耦合精馏过程的单位能耗较大、节能性较差的不 足，本专利技术提供一种在当前生产工况条件下使得内部热耦合空分塔单位能耗最小、提高节 能性的。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 —种内部热耦合空分塔非平衡级节能控制系统，包括与内部热耦合空分塔连接的 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； 节能控制模块，用以节能控制，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)假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度； 3)对每一个塔板，分别计算液相传质通』 而—'+《《-(A +《)x'v +《.=0(1)(2) 其中，L表示液相流量，F表示进料流量，S表示侧提流量，x表示液相组成，z表示 进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i = 1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，下标j_l、 j分别表示第j-l和第j块塔板； 4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成 +1《《.-化-《.=0 其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相 5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值； 6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数； 7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成 A^^iwOc7—x.)十xJV; / = 1,2(3)(4) — 其中，keff,,表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积， < 表示第i个 组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量； 8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其汽相界面组成； 9)判断下式是否满足，如果满足则继续10)，如果不满足则更新各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回3)继续迭代 ^+V^《/f《《卞+5f)魏, (5)(6) Zx_1,=i '3 》',广1〖=U(7)(8) -乂) +病 -《 其中，Hre、,分别表示汽液相进料焓值，He和#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，e是容差，keff, 是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量， 由下式计算 Q = UAAT (9) 其中，UA表示热耦合系数，A T表示耦合塔板间的温差； 10)判断产品氮气、氧气的纯度和产量是否满足当前生产工况要求，如果不满足则 结束迭代，输出结果，前一步的进料空气流量即为最大空气进料量，如果满足则将空气进料 流量增加一个迭代步长A ，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 8. 1)假定塔板平衡温度； 8. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成~ —yM扭(48)(49) 《a = 5.85(:斌丄€L)4(--)2(.PG《= 1.97xl04《05(0.4F。 +0.17>,丄)0.17)0.15 (《g/^)0.1 y(50)(51) 其中，ki,,和ki 分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，P J是汽相 密度，n^是汽相粘度，Di,kS是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，P^是液相密度，小是开孔率，Om是混合液体的表面张力，h。w是板上清液层高，Di 是液相二元交互系数，k是停留时间。 进一步，所述的上位机还包括结果显示模块，用于将节能控制结果传给控制站进 行显示，并通过现场总线将节能控制结果传递到现场操作站进行显示。 —种内部热耦合空分塔非平衡级节能控制方法，所述的节能控制方法包括以下步骤 值； 1)设定塔的结构参数，采集塔的生产工况数据，采集当前进料空气流量作为初2) 假定各塔板液相主体组成、汽液相流3) 对每一个塔板，分别计算液相传质通w'《《如《k/吟0其中，L表示液相流量，F表示进料賴 进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标 下标j-l、 j分别表示第j-l和第j块塔板；:、塔板温度；(1)，x表示液相组成，z表示 1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，，S表示侧提流34)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成+1+《《如《)&-《=。(2)其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相；5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值；6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数；7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成=4,(< -x,)+jc,jV, / = 1,2(3)i>,=i ,=i(4)其中，表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量；8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其汽相界面组成；9)判断下式是否满足，如果满足则继续步骤IO)，如果不满足则更新各塔板液相主体组成、汽液相流j:、塔板温度，返回步骤3)继续迭代 + W《/f《《如《)巧--Q 3 3(5)(6)(7) 其中，Hre、 分别表示汽液相进料焓值，He和#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，e是容差，keff, 是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量， 由下式计算 Q = UAAT (9) 其中，UA表示热耦合系数，A T表示耦合塔板间的温差； 10)判断产品氮气、氧气的纯度和产量是否满足当前生产工况要求，如果不满足则 结束迭代，输出结果，前一步的进料空气流量即为最大空气进料量，如果满足则将空气进料 流量增加一个迭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内部热耦合空分塔非平衡级节能控制系统，包括与内部热耦合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；节能控制模块，用以节能控制，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）假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；３）对每一个塔板，分别计算液相传质通量：Ｌ↓［ｊ－１］ｘ↓［ｉ，ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｌ］ｚ↓［ｉ，ｊ］↑计算：Ｑ＝ＵＡΔＴ（９）其中，ＵＡ表示热耦合系数，ΔＴ表示耦合塔板间的温差；１０）判断产品氮气、氧气的纯度和产量是否满足当前生产工况要求，如果不满足则结束迭代，前一步的进料空气流量即为最大空气进料量，输出结果；如果满足则将空气进料流量增加一个迭代步长Δ，返回２）继续迭代。［Ｌ］－（Ｌ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）ｘ↓［ｉ，ｊ］＋Ｎ↓［ｉ，ｊ］↑［Ｌ］＝０（１）其中，Ｌ表示液相流量，Ｆ表示进料流量，Ｓ表示侧提流量，ｘ表示液相组成，ｚ表示进料组成，Ｍ表示传质通量，上标Ｌ表示液相，下标ｉ＝１、２、３表示组分，依次对应氮、氩、氧，下标ｊ－１、ｊ分别表示第ｊ－１和第ｊ块塔板；４）对每一个塔板，分别计算汽相主体组成Ｖ↓［ｊ＋１］ｙ↓［ｉ，ｊ＋１］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｇ］ｚ↓［ｉ，ｊ］↑［Ｇ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）ｙ↓［ｉ，ｊ］－Ｎ↓［ｉ，ｊ］↑［Ｌ］＝０（２）其中Ｖ表示汽相流量，ｙ表示汽相组成，上标Ｇ表示汽相；（并对公式２做了修订，请核对，对于下面的公式均做了适应性修订）；５）对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值；６）对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数；７）对每一个塔板，分别计算液相界面组成：Ｎ↓［ｉ］↑［Ｌ］＝ｋ↓［ｅｆｆ，ｉ］↑［Ｌ］ａ（ｘ↓［ｉ］↑［Ｉ］－ｘ↓［ｉ］）＋ｘ↓［ｉ］Ｎ↓［ｔ］ｉ＝１，２（３）＊ｘ↓［ｉ］↑［Ｉ］＝１（４）其中，ｋ↓［ｅｆｆ，ｉ］↑［Ｌ］表示第ｉ个组分液相有效传质系数，ａ表示传质面积，ｘ↓［ｉ］↑［Ｉ］表示第ｉ个组分的液相界面组成，Ｎ↓［ｔ］表示总传质通量；８）对每一个塔板，分别由泡点法计算其汽相界面组成；９）判断下式是否满足，如果满足则继续１０），如果不满足则更新各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回３）继续迭代：Ｖ↓［ｊ＋１］Ｈ↓［ｊ＋１］↑［Ｇ］＋Ｌ↓［ｊ－１］Ｈ↓［ｊ－１］↑［Ｌ］＋...

【技术特征摘要】
一种内部热耦合空分塔非平衡级节能控制系统，包括与内部热耦合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；节能控制模块，用以节能控制，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)假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；3)对每一个塔板，分别计算液相传质通量 <mrow><msub> <mi>L</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><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><msubsup> <mi>z</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>L</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>L</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mo>+</mo><msubsup> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，L表示液相流量，F表示进料流量，S表示侧提流量，x表示液相组成，z表示进料组成，M表示传质通量，上标L表示液相，下标i＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，下标j-1、j分别表示第j-1和第j块塔板；4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成 <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><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><msubsup> <mi>z</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>G</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><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msubsup> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><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，y表示汽相组成，上标G表示汽相；(并对公式2做了修订，请核对，对于下面的公式均做了适应性修订)；5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值；6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数；7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成 <mrow><msubsup> <mi>N</mi> <mi>i</mi> <mi>L</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mrow><mi>eff</mi><mo>,</mo><mi>i</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mi>a</mi><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>x</mi><mi>i</mi><mi>I</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>N</mi> <mi>t</mi></msub><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn></munderover><msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mi>I</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，keff，iL表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积，xiI表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量；8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其汽相界面组成；9)判断下式是否满足，如果满足则继续10)，如果不满足则更新各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回3)继续迭代 <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>L</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><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>FG</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>FL</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>L</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>L</mi> </msubsup...

【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]