專利名稱：內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精餾領(lǐng)域，特別地，涉及一種內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
內(nèi)部熱耦合精餾技術(shù)是至今為止所提出的四大節(jié)能精餾技術(shù)中節(jié)能效能最高的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，在世界范圍內(nèi)得到了巨大的重視。內(nèi)部熱耦合精餾塔減少了常規(guī)精餾塔的冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷，讓熱量從精餾段傳向提餾段，因此精餾段需要工作在比提餾段高的壓力和溫度下。為了調(diào)節(jié)工作壓力，一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)節(jié)流閥被安排在兩部分之間。由于精餾段與提餾段的壓力差和熱耦合結(jié)構(gòu)，一定數(shù)量的熱量從精餾段傳向提餾段，從而給精餾段提供向下的回流液，給提餾段提供向上的蒸汽流。精餾段的流速向上遞減而提餾段的流速向下遞減。通過熱量的內(nèi)部耦合，可以去掉常規(guī)的再沸器和冷凝器，大量的能量被再利用，從而大幅度的降低了能耗。研究結(jié)果表明，內(nèi)部熱耦合精餾塔與常規(guī)精餾塔最小回流比下的能耗和操作費(fèi)用相比還可以節(jié)省30％以上。
流程模擬是過程系統(tǒng)工程中最基本的技術(shù)，不論過程系統(tǒng)的分析優(yōu)化，還是過程系統(tǒng)的合成，都是以流程模擬為基礎(chǔ)的。動(dòng)態(tài)流程模擬也被稱為非穩(wěn)態(tài)模擬，其過程中系統(tǒng)內(nèi)部的變量以及操作參數(shù)都隨時(shí)間而變化，沒有恒定的數(shù)值。在工業(yè)生產(chǎn)中，非穩(wěn)定狀態(tài)或動(dòng)態(tài)的過程是普遍存在的，因?yàn)樵趯?shí)際操作中，各個(gè)操作參數(shù)和過程變量都不可避免地受到人為的或者非人為的擾動(dòng)而隨著時(shí)間變化。通過內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬分析精餾塔的動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)，是流程設(shè)計(jì)和控制的先決條件。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的模擬精度不高、求解效率較低的不足，本發(fā)明提供一種能夠準(zhǔn)確模擬內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程、模擬精度高、求解效率較高的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)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 一種內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔連接的現(xiàn)場智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)庫以及上位機(jī)，所述現(xiàn)場智能儀表與控制站、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)，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表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3) 其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差； 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，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，下標(biāo)i＝1，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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)選的一種方案所述的上位機(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 yi＝Kixi(12) 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，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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的上位機(jī)還包括焓模塊，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過程如下 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的上位機(jī)還包括物性模塊，用以計(jì)算物性參數(shù)，其過程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1(28) 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(32) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 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 (42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44) Ωb＝0.070721(45) τ＝0.01T(46) 其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb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是常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(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。
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)場總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進(jìn)行顯示。
一種用所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程模擬方法，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表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3)； 其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差； 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，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，下標(biāo)i＝1，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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)選的一種方案所述步驟3)中，由泡點(diǎn)法計(jì)算平衡溫度和汽相組成的過程如下 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 yi＝Kixi(12) 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，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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，返回步驟3.2)繼續(xù)迭代。
作為優(yōu)選的另一種方案所述步驟4)中，計(jì)算汽液相混合焓，其過程如下 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)算方法包括以下步驟 bi＝ΩbRTci/Pcia (18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm) (21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m (22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(23) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1 (28) 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(32) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 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 (42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44) Ωb＝0.070721(45) τ＝0.01T(46) 其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb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是常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(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。
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，并通過現(xiàn)場總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進(jìn)行顯示。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、對(duì)內(nèi)部熱耦合精餾塔進(jìn)行動(dòng)態(tài)流程模擬；2、計(jì)算速度快，模擬結(jié)果準(zhǔn)確；3、可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)和進(jìn)一步的操作優(yōu)化、生產(chǎn)控制，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)明所述內(nèi)部熱耦合精餾塔結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明上位機(jī)的功能結(jié)構(gòu)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3，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括內(nèi)部熱耦合精餾塔1連接的現(xiàn)場智能儀表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，所述現(xiàn)場智能儀表2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)，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表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3) 其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差； 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，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，下標(biāo)i＝1，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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 yi＝Kixi(12) 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，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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還包括物性模塊11，計(jì)算物性參數(shù)，其過程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT(27) αG＝2BG-1(28) 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(32) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 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(42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44) Ωb＝0.070721(45) τ＝0.01T(46) 其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb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是常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(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。
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)場總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進(jìn)行顯示。
本實(shí)施例的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(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)場總線。內(nèi)部熱耦合精餾塔1、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)的功能結(jié)構(gòu)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表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3)； 其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差； 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，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，下標(biāo)i＝1，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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。
實(shí)施例2 參照?qǐng)D1、圖2、圖3，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔動(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表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3)； 其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差； 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，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，下標(biāo)i＝1，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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。
.所述步驟3)中，由泡點(diǎn)法計(jì)算平衡溫度和汽相組成的過程如下 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 yi＝Kixi(12) 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，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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，返回步驟3.2)繼續(xù)迭代。
所述步驟4)中，計(jì)算汽液相混合焓，其過程如下 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)算方法包括以下步驟 bi＝ΩbRTci/Pcia (18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm) (21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m (22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2 (26) BG＝bGP/RT(27) αG＝2BG-1(28) 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(32) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 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 (42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44) Ωb＝0.070721(45) τ＝0.01T(46) 其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb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是常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(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。
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，并通過現(xiàn)場總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進(jìn)行顯示。
本發(fā)明所提出的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)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
1.一種內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔連接的現(xiàn)場智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)庫以及上位機(jī)，所述現(xiàn)場智能儀表與控制站、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)，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表示熱耦合量，由下式計(jì)算
Q＝UAΔT(3)
其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差；
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，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，下標(biāo)i＝1，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(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
yi＝Kixi(12)
其中，Ф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，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括焓模塊，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過程如下
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所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括物性模塊，用以計(jì)算物性參數(shù)，其過程如下
bi＝ΩbRTci/Pcia(18)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21)
Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(23)
對(duì)汽相
令
AG＝aGP/R2T2(26)
BG＝bGP/RT(27)
αG＝2BG-1(28)
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(32)
對(duì)液相
令
AL＝aLP/R2T2(36)
BL＝bLP/RT(37)
αL＝2BL-1(38)
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(42)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44)
Ωb＝0.070721(45)
τ＝0.01T(46)
其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb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是常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(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。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(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，并通過現(xiàn)場總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進(jìn)行顯示。
6.一種用如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔動(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表示熱耦合量，由下式計(jì)算
Q＝UAΔT(3)；
其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差；
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，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，下標(biāo)i＝1，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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，其特征在于所述步驟3)中，由泡點(diǎn)法計(jì)算平衡溫度和汽相組成的過程如下
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
yi＝Kixi(12)
其中，Ф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，...n表示組分，n表示組分?jǐn)?shù)，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，返回步驟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，計(jì)算汽液相混合焓，其過程如下
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)算方法包括以下步驟
bi＝ΩbRTci/Pcia(18)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21)
Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(23)
對(duì)汽相
令
AG＝aGP/R2T2(26)
BG＝bGP/RT(27)
αG＝2BG-1(28)
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(32)
對(duì)液相
令
AL＝aLP/R2T2(36)
BL＝bLP/RT(37)
αL＝2BL-1(38)
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(42)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44)
Ωb＝0.070721(45)
τ＝0.01T(46)
其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb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是常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(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。
10.如權(quán)利要求6或7所述的動(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，并通過現(xiàn)場總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進(jìn)行顯示。
全文摘要
一種內(nèi)部熱耦合精餾塔動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔連接的現(xiàn)場智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)庫以及上位機(jī)，上位機(jī)包括信號(hào)采集模塊，求解計(jì)算主模塊，過程設(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，分別其平衡溫度和汽相組成、汽液相的焓值、汽液相流量和(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返回迭代，直到t≥tend，結(jié)束迭代，輸出結(jié)果。以及提出了一種內(nèi)部熱耦合空分塔動(dòng)態(tài)流程模擬方法。本發(fā)明提供一種能夠快速準(zhǔn)確模擬內(nèi)部熱耦合空分塔動(dòng)態(tài)流程的系統(tǒng)及方法。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101716425SQ20091015569
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者劉興高, 閆正兵 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)