專利名稱：空分塔穩(wěn)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，涉及一種空分塔穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
氧氣、氮?dú)夂蜌鍤庠谝粋€(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用十分廣泛。空氣中含有約78. 12% 的氮、20. 95%的氧、0. 93%的氬(體積含量)和少量的二氧化碳、氖、氦、氫、氛、水蒸氣(根 據(jù)空氣的濕度)等，是制取氧、氮、氬等產(chǎn)品的原料氣。低溫空氣分離法(cryogenic air s印aration)是利用空氣中氧、氮、氬等組分沸點(diǎn)(揮發(fā)度)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。 能源危機(jī)的加深，強(qiáng)烈地促進(jìn)了許多領(lǐng)域能源的有效利用。在能耗很大的空氣分 離工業(yè)中，能源成本占了空氣產(chǎn)品價(jià)格的75%。于是出現(xiàn)這樣的情況，一方面，由于現(xiàn)代工 業(yè)的發(fā)展，一些大型工業(yè)項(xiàng)目如鋼鐵工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油開采等都需要由大型空分裝置提 供空氣制品，需求量也越來越大。另一方面，能耗成本也隨著能源危機(jī)，變得越來越大。因 此在這樣的形勢(shì)下，提高空氣分離技術(shù)的能量效率顯得刻不容緩。 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?？辗至鞒棠M在整個(gè)空分設(shè)備的設(shè)計(jì)中占有重要的 地位，直接影響到能否為用戶提供滿足產(chǎn)品要求且高校運(yùn)行的空分設(shè)備?？辗至鞒棠M是 流程設(shè)計(jì)及流程優(yōu)化的先導(dǎo)，只有通過大量的流程計(jì)算找到流量、壓力、純度等參數(shù)之間的 關(guān)系，才能進(jìn)行流程的分析、控制以及優(yōu)化等。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的空分工業(yè)過程不能準(zhǔn)確模擬空分塔穩(wěn)態(tài)流程的不足，本發(fā)明提供
一種能夠準(zhǔn)確模擬空分塔穩(wěn)態(tài)流程的空分塔穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 —種空分塔穩(wěn)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)庫和上位機(jī)，智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫和上位機(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，用以進(jìn)行求解計(jì)算，采用以下過程來完成 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值； 2)假定各塔板液相組成； 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 +^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(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示 t，和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j_l、 j、 j+l分別表示第j_l、 j、 j+l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是中間變量，C、 D、 E、 W是常數(shù)，T。、 P。、 V。、 Z。分別是臨界 溫度、壓力、體積和壓縮因子，^是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ku表示第i組分和第m組分 的二元交互系數(shù)，km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，Qa、 Qb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。 —種空分塔穩(wěn)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)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)； 2)假定各塔板液相組成； 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^《+^i^+巧《-化+5f)《-(巧《)坷-g =0 ( 1 ) +"廠i +《+《-(K. +《)=0 (2) 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)料烚值，S表示
側(cè)提流量，下標(biāo)j_l、 j、 j+1分別表示第j_l、 j、 j+1塊板，Q表示塔板傳出的熱量； 6)判斷式(3)是否成立，如果成立，則停止迭代，輸出結(jié)果，否則，更新液相組成，
返回步驟3)迭代； f>,J+I ,+《《-化-(巧〈0.0001 (3 ) 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i = 1、2、3表示組分，依次
對(duì)應(yīng)氮、氬、氧。 作為優(yōu)選的一種方案所述步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相，采用以下 過程完成 3. 1)假定塔板平衡溫度；
3. 2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成
2y ^附^ m
1《=ln~~-;(1-Z" +《V(^"-~m f '")/^i r (4)
附
K,(Df/《 (6)
yi = KiXi (7)
其中，①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)，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)lA b\ bp ^、 a\ ai,m、 ； e、 ； \汽相壓縮因子Z^液相壓縮因子由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算； 3. 3)檢驗(yàn)
<0.000堤否成立，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。
0098] 作為優(yōu)選的再一種方案所述的步驟4)中，焓計(jì)算方法過程如下
,]一 一' J ' ^r3 ' ,-T4 0100]
0103] 其中表示第i個(gè)純組分理想氣體的烚值，H*是混合物理想氣體烚值，c、d、e、f 、 h為常數(shù)。
0104] 作為優(yōu)選的另一種方案所述的物性參數(shù)計(jì)算方法過程如下
/r = c.+《+《r++ ;^:r
0101] //u =/r _燈(i_moG_r
0102] w 燈(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 O3
Zci,m = 0.5(Zci+ZCm)
Pci ， m RTci ， mZci ， m/Vci ， m Qai,m = 0.5(Qai+Qanl)
對(duì)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
取初值為1-0. 6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Ze
zG3 + gzg2 + , =0
則，
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 In
vG+3.561553Z/ vG-0.5615536(
對(duì)液相
1 =Z2> ,,,
a
(28)
(29)
(30)
令
AL : BL :
aLP/R2T2 bLP/RT a l = 2BL_1
"3
(31)
(32)
(33)
丄2
(34)
=2(5L十萬c )_ X^BL (35) 取初值為Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子
十a(chǎn)丄Z丄2 + / =0
則，
vL = RT/PZL
f =0.細(xì)611/+3.56懸丄
(36)
(37)
(38)
(39)
r-0.561553W 0140] Q。, = C,-Z),r +五,r2
0141] Qb = 0.070721 (40) 0142] t = 0. 01T (41)
0143] 其中，A、B、 a 、 p 、 y 、 t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，^是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ku表示第i組分和第m組分 的二元交互系數(shù)，km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，Qa、 Qb是中間變量。 進(jìn)一步，在所述的步驟6)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)行穩(wěn)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)明所提出的穩(wěn)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， 一種空分塔平衡級(jí)節(jié)能計(jì)算系統(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 3與控制站4、數(shù)據(jù)庫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，采用以下過程來完成
1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值；
2)假定各塔板液相組成； 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 ,T^ +巧《—化一e' =0 ( 1 )
^ +巧—!《+《-化《)=0 (2)
側(cè)提流
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
，和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-l、 j、 j+l分別表示第j-l、 j、 j+l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)判斷下式(3)是否成立，如果成立，則則停止迭代，輸出結(jié)果，否則，更新各塔板 液相組成，返回3)迭代； C" ,+巧；,/ -化+5fk -("/《k, 〈o細(xì)1(3 ) 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i = 1、2、3表示組分，依次 對(duì)應(yīng)氮、氬、氧。 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)，采用以下過程完成
^——)/6丄i r (4)
ln①f =ln
6,
丄^ 。d-
lnO6 =ln
燈
、z/
-i(l-ZG) + ^"、-~^~~(5)
(6)
yi = KiXi (7)
其中，①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二 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)lA b\ bp么a\ ai,m、《e、《L、汽相壓縮因子zs、液相壓縮因子由物性模塊計(jì)算； 3. 3)檢驗(yàn)
1-2>,
O.OOOl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c0174: 0175:
所述上位機(jī)6還包括焓模塊IO，用于計(jì)算汽液相混合焓，其過程如下
，2 ,厶t3 , ,_t4
二 +《r +《r2 + /廣+ ; ,.:r
(8)(9)= 燈(i zG)《G(flG r "G)/Z)G(10)7/丄=//* (i z丄)r Ja )/V(11)其中表示第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、h為常數(shù)。所述上位機(jī)6還包括物性模塊ll，計(jì)算物性參數(shù)，其過程如下/7— Q 7 2 /戶(12)bi = QbRTci/Pcia (13)(14)(15)Zci,m = 0.5(Zci+ZCm) (16)Pci,m二RTci,mZci,乂Vci,m (17)Qai,m = 0.5(Qai+Qani) (18)對(duì)汽相(19)(20)令A(yù)G = aGP/R2T2 (21)BG = bGP/RT (22)a c = 2BG-1 (23)(24)(25)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Ze(26)則，vG = RT/PZG (27) 扁61々3.56懸:； b vG-0.5615536G(28)對(duì)液相"丄=ZI^X'X ^, (29)
(30)令A(yù)L = aLP/R2T2(31)BL = bLP/RT(32)a l = 2BL_1(33)(34)=2(5丄3 +5f'2)_ J^S乙(35)取初值為Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子
Zl3 +a￡Zi2 + ^+ / =0(36)則，vL = RT/PZL(37)^=0.2425361,+3'561553^ 一-0.561553//(38)^i二Ci-Dj+Ei -Wi (39)Qb = 0. 070721(40)t = 0. 01T(41)其中，A、B、 a 、 |3 、 y、 t是中間變量:，C、 D、 E、 W是常數(shù)，T。、 P。、 V。、 Z。分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，^是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ku表示第i組分和第m組分 的二元交互系數(shù)，km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，Qa、 Qb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)施例的空分塔穩(wěn)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5和現(xiàn)場(chǎng)總線?？辗炙?、智能儀表2、數(shù)據(jù)接口 3、控制站4、數(shù)據(jù)庫5、 上位機(jī)6通過現(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。
所述的穩(wěn)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)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；
2)假定各塔板液相組成； 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 在所述的6)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)明所提出的空分塔穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法，已通過上述具體實(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
一種空分塔穩(wěn)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)庫和上位機(jī)，智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫和上位機(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，用以進(jìn)行求解計(jì)算，采用以下過程來完成1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值；2)假定各塔板液相組成；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 <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(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)判斷下式(3)是否成立，如果成立，則停止迭代，輸出結(jié)果；否則，更新各塔板液相組成，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> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><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><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><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mo><</mo><mn>0.0001</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧。
2. 如權(quán)利要求l所述的空分塔穩(wěn)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)，采用以下過程完成<formula>formula see original document page 2</formula>其中，①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二 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)bS、P、bi、 ^、 a\ ai.m、《\《、汽相壓縮因子Z^液相壓縮因子由物性模塊計(jì)算；`3. 3)檢驗(yàn)1-!>,<0.0001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c
3. 如權(quán)利要求1或2所述的空分塔穩(wěn)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，其過程如下<formula>formula see original document page 3</formula>其中表示第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所述的空分塔穩(wěn)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)，其過程如下<formula>formula see original document page 3</formula>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f<formula>formula see original document page 3</formula>則，<formula>formula see original document page 3</formula>對(duì)液相<formula>formula see original document page 4</formula>取初值為Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子 z丄3+aLzi2+;^ + /=0 (36) 則，<formula>formula see original document page 4</formula> 其中，A、B、 a 、 13 、 Y、 t是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，T。、P。、V。、Z。分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，^是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，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，Qa、 Qb是中間變量。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的空分塔穩(wěn)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. —種用如權(quán)利要求1所述的空分塔穩(wěn)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)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；2) 假定各塔板液相組成；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 <formula>formula see original document page 4</formula>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_l、 j、 j+1分別表示第j_l、 j、 j+1塊板，Q表示塔板傳出的熱量；6) 判斷式(3)是否成立，如果成立，則停止迭代，輸出結(jié)果，否則，更新液相組成，返回步驟3)迭代；<formula>formula see original document page 5</formula>其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i = 1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng) 氮、氬、氧。
7.如權(quán)利要求6所述的流程模擬方法，其特征在于所述步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平 衡溫度和汽相，采用以下過程完成 3. 1)假定塔板平衡溫度； 3. 2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成<formula>formula see original document page 5</formula>其中，①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)，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)be、 b\ bi 、 ae、 a\ ai, m、 I e、 l L、汽相壓縮因子zs、液相壓縮因子由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算；`3. 3)檢驗(yàn)1-1>,`O.OOOl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，其特征在于所述的步驟4)中，焓計(jì)算方 法過程如下<formula>formula see original document page 5</formula>常數(shù)c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
9.如權(quán)利要求6所述的流程模擬方法，其特征在于所述的物性參數(shù)計(jì)算方法過程如<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula>對(duì)汽相<formula>formula see original document page 6</formula>令<formula>formula see original document page 6</formula>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ZE<formula>formula see original document page 6</formula>則，<formula>formula see original document page 6</formula>對(duì)液相令<formula>formula see original document page 6</formula>取初值為PJO. 106+0. 078P》，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子<formula>formula see original document page 6</formula> 則，<formula>formula see original document page 6</formula>t = 0. 01T (41)其中，A、B、 a 、 13 、 Y、 t是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，T。、P。、V。、Z。分別是臨界溫度、 壓力、體積和壓縮因子，^是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，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，Qa、 Qb是中間變量。
10.如權(quán)利要求5或6所述的空分塔穩(wěn)態(tài)流程模擬方法，其特征在于在所述的步驟6) 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
一種空分塔穩(wěn)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，用以進(jìn)行求解計(jì)算，過程為1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值；2)假定各塔板液相組成；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；6)判斷下式(3)是否成立，如果成立，則停止迭代，輸出結(jié)果；否則，更新各塔板液相組成以及提出了一種空分塔穩(wěn)態(tài)流程模擬方法。本發(fā)明提供一種能夠準(zhǔn)確模擬空分塔穩(wěn)態(tài)流程的空分塔穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101776898SQ20091015718
公開日2010年7月14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, 林李飛 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)