專利名稱：空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空分領(lǐng)域，特別地，涉及一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾膽?yīng)用十分廣泛。氧氣可用于鋼鐵制造、化工工藝、金屬加工、玻璃制造、石油回收和精煉、造紙、保健服務(wù)、航天國(guó)防等。氮?dú)庠谝苯鸸I(yè)、石油回收和精煉、金屬生產(chǎn)和加工、電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)中廣泛地用于保護(hù)氣體。氬氣在飛機(jī)制造、造船、原子能工業(yè)和機(jī)械工業(yè)部門(mén)用作保護(hù)氣，同時(shí)在電子、照明行業(yè)也有非常重要的應(yīng)用。低溫空氣分離法是利用空氣中氧、氮、氬等組分沸點(diǎn)的不同，使用精餾的方法分離低溫液態(tài)空氣而得到高純度的氧、氮、氬產(chǎn)品。它是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外空氣分離行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的方法。在空氣分離工業(yè)中，能源成本占了空氣產(chǎn)品價(jià)格的75％。因此在能源危機(jī)不斷加深的形勢(shì)下，提高空氣分離技術(shù)的能量效率具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行仿真已經(jīng)成為科學(xué)研究的重要手段之一。實(shí)際空分過(guò)程的變量很多，而能夠測(cè)量的變量是有限的，有些變量則難以測(cè)量，且不易測(cè)準(zhǔn)。進(jìn)行動(dòng)態(tài)流程模擬能夠從計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確地觀察到各種變量的變化情況。通過(guò)空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬分析空分塔的動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)，是空分塔流程設(shè)計(jì)和控制的先決條件。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的空分工業(yè)過(guò)程的不能準(zhǔn)確模擬空分塔動(dòng)態(tài)流程的不足，本發(fā)明提供一種能夠準(zhǔn)確模擬空分塔動(dòng)態(tài)流程的系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是 一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括與空分塔連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、以及控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)，智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)、上位機(jī)連接，所述的上位機(jī)包括信號(hào)采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；求解計(jì)算主模塊，用以求解計(jì)算，采用以下過(guò)程來(lái)完成 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend； 2)指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，分別計(jì)算汽液相的焓值； 5)由式(1)(2)計(jì)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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示塔板傳出的熱量； 6)計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量 其中，Δt是迭代步長(zhǎng)，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面積，l是塔板堰長(zhǎng)，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，上標(biāo)(t)和(t+Δt)分別表示時(shí)刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式計(jì)算 其中hw是溢流堰高； 7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量返回3)迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。
作為優(yōu)選的一種方案所述上位機(jī)還包括泡點(diǎn)法模塊，用以由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成，其過(guò)程如下 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi(11) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性模塊計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
作為優(yōu)選的另一種方案所述上位機(jī)還包括焓模塊，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
作為優(yōu)選的再一種方案所述上位機(jī)還包括物性模塊，用以計(jì)算物性參數(shù)，其過(guò)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) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(25) BG＝bGP/RT (26) αG＝2BG-1 (27) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (31) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(35) BL＝bLP/RT (36) αL＝2BL-1 (37) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， 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是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
進(jìn)一步，所述的上位機(jī)還包括結(jié)果顯示模塊，用于將計(jì)算結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬方法，所述的流程模擬方法包括以下步驟 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend； 2)指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值； 5)聯(lián)立式(1)(2計(jì)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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示塔板傳出的熱量； 6)計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量 其中，Δt是迭代步長(zhǎng)，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面積，l是塔板堰長(zhǎng)，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，上標(biāo)(t)和(t+Δt)分別表示時(shí)刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式計(jì)算 其中hw是溢流堰高； 7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量返回步驟3)迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。
作為優(yōu)選的一種方案所述的步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相，采用以下過(guò)程完成 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi(11) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
作為優(yōu)選的另一種方案所述步驟4)中，所述的焓計(jì)算方法過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
作為優(yōu)選的再一種方案所述物性參數(shù)計(jì)算方法過(guò)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) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(25) BG＝bGP/RT (26) αG＝2BG-1 (27) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG ＝RT/PZG(31) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2 (35) BL＝bLP/RT (36) αL＝2BL-1 (37) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， 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是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
進(jìn)一步，在所述的步驟7)中，上位機(jī)將計(jì)算結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在對(duì)空分塔進(jìn)行動(dòng)態(tài)流程模擬，計(jì)算速度快，模擬結(jié)果準(zhǔn)確，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)和進(jìn)一步的優(yōu)化、控制研究，從而提高生產(chǎn)效益。



圖1是本發(fā)明所提出的動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明所述空分塔結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明上位機(jī)的功能模塊圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1 參照?qǐng)D1、圖2、圖3，一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括空分塔1連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5以及上位機(jī)6，智能儀表2與現(xiàn)場(chǎng)總線連接，所述現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)接口3連接，所述數(shù)據(jù)接口與控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5和上位機(jī)6連接，所述的上位機(jī)6包括 信號(hào)采集模塊7，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)； 求解計(jì)算主模塊8，用以求解計(jì)算，采用以下過(guò)程來(lái)完成 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend； 2)指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，分別計(jì)算汽液相的焓值； 5)由式(1)(2)計(jì)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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示塔板傳出的熱量； 6)計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量 其中，Δt是迭代步長(zhǎng)，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面積，l是塔板堰長(zhǎng)，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，上標(biāo)(t)和(t+Δt)分別表示時(shí)刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式計(jì)算 其中hw是溢流堰高； 7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量返回3)迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。
所述上位機(jī)6還包括泡點(diǎn)法模塊9，用以由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成，其過(guò)程如下 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi(11) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性模塊計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
所述上位機(jī)6還包括焓模塊10，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
所述上位機(jī)6還包括物性模11塊，計(jì)算物性參數(shù)，其過(guò)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) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(25) BG＝bGP/RT (26) αG＝2BG-1 (27) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (31) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(35) BL＝bLP/RT(36) αL＝2BL-1(37) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， 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是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
所述的上位機(jī)6還包括結(jié)果顯示模塊12，用于將計(jì)算結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
本實(shí)施例的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示，所述的流程模擬系統(tǒng)核心由包括信號(hào)采集模塊7、求解計(jì)算主模塊8、泡點(diǎn)法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、結(jié)果顯示模塊12和人機(jī)界面的上位機(jī)6構(gòu)成，此外還包括現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2，數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5和現(xiàn)場(chǎng)總線。空分塔1、智能儀表2、數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5、上位機(jī)6通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線依次相連，實(shí)現(xiàn)信息流的上傳和下達(dá)。流程模擬系統(tǒng)在上位機(jī)6上運(yùn)行，可以方便地與底層系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。
本實(shí)施例的優(yōu)化系統(tǒng)的功能模塊圖如附圖3所示，主要包括信號(hào)采集模塊7、求解計(jì)算主模塊8、泡點(diǎn)法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、結(jié)果顯示模塊12等。
所述的動(dòng)態(tài)流程模擬方法按照如下步驟進(jìn)行實(shí)施 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend； 2)指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值； 5)聯(lián)立式(1)(2)計(jì)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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示塔板傳出的熱量； 6)計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量 其中，Δt是迭代步長(zhǎng)，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面積，l是塔板堰長(zhǎng)，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，上標(biāo)(t)和(t+Δt)分別表示時(shí)刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式計(jì)算 其中hw是溢流堰高； 7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量返回3)迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。
實(shí)施例2 參照?qǐng)D1、圖2、圖3，一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬方法，所述的流程模擬方法包括以下步驟 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend； 2)指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值； 5)聯(lián)立式(1)(2)計(jì)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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示塔板傳出的熱量； 6)計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量 其中，Δt是迭代步長(zhǎng)，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面積，l是塔板堰長(zhǎng)，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，上標(biāo)(t)和(t+Δt)分別表示時(shí)刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式計(jì)算 其中hw是溢流堰高； 7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量返回步驟3)迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。
所述的步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相，采用以下過(guò)程完成 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi(11) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
所述步驟4)中，所述的焓計(jì)算方法過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
所述物性參數(shù)計(jì)算方法過(guò)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) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(25) BG＝bGP/RT(26) αG＝2BG-1(27) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG(31) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2 (35) BL＝bLP/RT(36) αL＝2BL-1(37) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， 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是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
在所述的步驟7)中，上位機(jī)將計(jì)算結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
本發(fā)明所提出的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法，已通過(guò)上述具體實(shí)施步驟進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的裝置和操作方法進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，它們都會(huì)被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括與空分塔連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、以及控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)，智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)、上位機(jī)連接，其特征在于所述的上位機(jī)包括
信號(hào)采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；
求解計(jì)算主模塊，用以求解計(jì)算，采用以下過(guò)程來(lái)完成
1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend；
2)指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart；
3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成；
4)對(duì)每一個(gè)塔板，分別計(jì)算汽液相的焓值；
5)由式(1)(2)計(jì)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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示塔板傳出的熱量；
6)計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量
其中，Δt是迭代步長(zhǎng)，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面積，l是塔板堰長(zhǎng)，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，上標(biāo)(t)和(t+Δt)分別表示時(shí)刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式計(jì)算
其中hw是溢流堰高；
7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量返回3)迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括泡點(diǎn)法模塊，用以由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成，其過(guò)程如下
3.1)假定塔板平衡溫度；
3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成
yi＝Kixi (11)
其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性模塊計(jì)算；
3.3)檢驗(yàn)
是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
3.如權(quán)利要求1或2所述的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括焓模塊，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過(guò)程如下
其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括物性模塊，用以計(jì)算物性參數(shù)，其過(guò)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)
對(duì)汽相
令
AG＝aGP/R2T2 (25)
BG＝bGP/RT(26)
αG＝2BG-1(27)
取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG
則，
vG＝RT/PZG(31)
對(duì)液相
令
AL＝aLP/R2T2 (35)
BL＝bLP/RT(36)
αL＝2BL-1(37)
取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL
則，
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是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
5.如權(quán)利要求1或2所述的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括
結(jié)果顯示模塊，用于將計(jì)算結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
6.一種用如權(quán)利要求1所述的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程模擬方法，其特征在于所述的流程模擬方法包括以下步驟
1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend；
2)指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart；
3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成；
4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值；
5)聯(lián)立式(1)(2計(jì)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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示塔板傳出的熱量；
6)計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量
其中，Δt是迭代步長(zhǎng)，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，ρ是液相密度，Aa是塔板有效面積，l是塔板堰長(zhǎng)，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，上標(biāo)(t)和(t+Δt)分別表示時(shí)刻t和t+Δt，M表示塔板持液量，由下式計(jì)算
其中hw是溢流堰高；
7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量返回步驟3)迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的流程模擬方法，其特征在于所述的步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相，采用以下過(guò)程完成
3.1)假定塔板平衡溫度；
3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成
yi＝Kixi (11)
其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算；
3.3)檢驗(yàn)
是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
8.如權(quán)利要求6或7所述的流程模擬方法，其特征在于所述步驟4)中，所述的焓計(jì)算方法過(guò)程如下
其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
9.如權(quán)利要求7所述的流程模擬方法，其特征在于所述物性參數(shù)計(jì)算方法過(guò)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)
對(duì)汽相
令
AG＝aGP/R2T2 (25)
BG＝bGP/RT (26)
αG＝2BG-1 (27)
取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG
則，
vG＝RT/PZG
對(duì)液相
令
AL＝aLP/R2T2 (35)
BL＝bLP/RT (36)
αL＝2BL-1 (37)
取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL
則，
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是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
10.如權(quán)利要求6或7所述的空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬方法，其特征在于在所述的步驟7)中，上位機(jī)將計(jì)算結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
全文摘要
一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括與空分塔連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、以及控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)，上位機(jī)包括信號(hào)采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；求解計(jì)算主模塊，過(guò)程為設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，設(shè)定起始時(shí)刻tstart，終止時(shí)刻tend；指定初始時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量，令當(dāng)前迭代時(shí)間t＝tstart；對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成、汽液相的焓值；由式(1)(2)計(jì)算各塔板的汽液相流量；計(jì)算(t+Δt)時(shí)刻的各塔板液相組成和液相流量；令t＝t+Δt，用新的各塔板液相組成和液相流量迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。以及提出了一種空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬方法。本發(fā)明提供一種能夠準(zhǔn)確模擬空分塔動(dòng)態(tài)流程的系空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬統(tǒng)及方法。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101794141SQ200910157180
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者劉興高, 葉逍榮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)