內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統及方法

專利名稱：內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及精餾節能領域，特別地，涉及一種內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統及方法。
背景技術：
自二十世紀七十年代經歷兩次“石油危機”，能源成為全球關注的問題以來，節能 作為解決能源危機問題的根本途徑之一，逐漸受到各國的高度重視。精餾過程是石油煉制、石油化工和其它化工過程中應用最為廣泛的傳質單元操作 過程，也是石油化工領域中能耗最大的單元操作之一，其能耗約占化工廠總能耗的三分之 一，有時甚至還更多。美國的統計數據表明，美國1976年精餾耗能約占全國總能耗的3%， 如果精餾過程節能10%，相當于每天節省100000桶石油，若以當時的每桶石油40美元計 算，相當于美國1976年的精餾過程的操作費用每天可以節省400萬美元，全年僅精餾過程 可以節省約15億美元。從二十世紀七十年代以來，研究者已經從熱力學、操作原理等角度提出了大量的 精餾過程的節能方法。內部熱耦合精餾塔是這些方法中最吸引人的一種，目前精餾塔節能 研究的一個前沿。研究結果表明，內部熱耦合精餾塔與常規精餾塔最小回流比下的能耗和 操作費用相比還可以節省30%以上。過程在線優化是指綜合應用過程建模技術、優化技術、 先進控制技術以及計算機技術，在滿足生產安全要求以及產品質量約束等條件下，不斷計 算并改變過程的操作條件，使得生產過程始終運行在“最優狀態”。研究表明，在線優化所帶來的經濟效益，相當于DCS和各種先進控制手段所帶來 的經濟效益的總和，其投資卻只有先進控制的三分之一。可見在線優化的成功實施是企業 獲取最小經濟效益的必要保證。內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制是指基于內部熱耦合精 餾塔平衡級模型，在滿足產品純度要求的前提下，不斷計算并改變精餾塔的進料流量，使得 精餾過程始終運行在產量最大即單位能耗最小的狀態。

發明內容
為了克服目前內部熱耦合精餾塔尚無節能控制系統、單位能耗較大的不足，本發 明提供一種在當前生產工況條件下使得內部熱耦合精餾塔單位能耗最小、節能性好的內部 熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統及方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，包括與內部熱耦合精餾塔連接的現 場智能儀表、控制站、數據庫以及上位機，所述現場智能儀表與控制站、數據庫和上位機連 接，所述的上位機包括信號采集模塊，用以采集當前生產工況數據；節能控制模塊，用以節能控制，采用以下過程來完成1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料流量初值；
2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，分別計算汽液相的焓值；5)由式(1) (2)計算各塔板的汽液相流量Vl^x +UjaHlja +FjH^-(Vj +^-(Uj ^H1;-Qj 二0(1)FJ+l +Ff +F^ -(Vj -[Uj +Sf)=0(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UAAT(3)其中，UA表示熱耦合系數，ΔΤ表示耦合塔板間的溫差；6)判斷下式是否成立，如果成立，則繼續7)，否則，更新各塔板液相組成，返回3) 迭代； 其中，χ是液相組成，y是汽相組成，ζ是進料組成，下標i = 1，...M表示組分，M 表示組分數；7)判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回2)繼續迭代。作為優選的一種方案所述的上位機還包括泡點法模塊，用以由泡點法計算其 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)計算汽液平衡常數，采用以下過程完成 K1 = Φ,1 /Of(7)Yi = KiXi(8)其中，Φ表示逸度系數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，... M表示組分，M表示組分數，摩爾體積V、物性參數be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性模塊計算；3.3)檢驗I-ΣΧ <0.0001是否成立，成立則結束迭代，返回計算結果，否則，更新
塔板平衡溫度，返回3. 2)繼續迭代。作為優選的另一種方案所述的上位機還包括焓模塊，用以計算汽液相混合焓， 其過程如下
其中Hi*表示第i個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。作為優選的再一種方案所述的上位機還包括物性模塊，用以計算物性參數，其 過程如下
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)對汽相
(20)
(21)令
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)取初值為1-0. 用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Ze
(27) 則
(28) 對液相
(30)
令 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t 則 Qb = 0.070721(41)τ = 0. OlT(42)其中，Α、B、α、β、γ、τ、Ω。Ωb 是中間變量，C、D、Ε、W 是常數，Τ。、P。、V。、Zc 分
別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數，、ω表示第i組分和 第m組分的二元交互系數，是常數，下標c表示臨界點的性質，下標r表示對比態，下標 i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物。進一步，所述的上位機還包括結果顯示模塊，用于將節能控制結果傳給控制站進 行顯示，并通過現場總線將節能控制結果傳遞到現場操作站進行顯示。一種用所述的內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統實現的節能控制方法，所述 的節能控制方法包括以下步驟1)設定塔的結構參數，采集塔的生產工況數據，采集當前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯立式⑴⑵計算各塔板的汽液相流量
_7] 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側提流量，下標j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UA Δ T(3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟 3)迭代；
VJ+lyiJ+] +Uj^ +Ffz^ +Ff^j -(Vj +^yij -(Uj +S^xij <0.0001(4)
7)判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續迭 代。作為優選的一種方案所述步驟3)中，由泡點法計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)計算汽液平衡常數，采用以下過程完成 其中，Φ表示逸度系數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，... M表示組分，M表示組分數，摩爾體積ν、物性參數be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性參數計算單元計算；3.3)檢驗1-ΣΧ <0.00(η是否成立，成立則結束迭代，返回計算結果，否則，更新
塔板平衡溫度，返回步驟3. 2)繼續迭代。作為優選的另一種方案所述步驟4)中，計算汽液相混合焓，其過程如下 其中H廣表示第i個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。作為優選的再一種方案所述物性參數計算方法包括以下步驟 取初值為P,(0. 106+0. 078P,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子t 其中，
是中間變量，C、D、Ε、W 是常數，Τ。、P。、V。、Zc 分
別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數，、ω表示第i組分和第m組分的二元交互系數，是常數，下標c表示臨界點的性質，下標r表示對比態，下標 i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物。進一步，在所述的步驟7)中，上位機將節能控制結果傳給控制站進行顯示，并通 過現場總線將節能控制結果傳遞到現場操作站進行顯示。
本發明的有益效果主要表現在1、對內部熱耦合精餾塔進行平衡級節能控制；2、 可以用于指導生產，在滿足當前生產工況要求的前提下提高產量；3、降低單位產品能耗，提 高生產效益。


圖1是本發明所提出的平衡級節能控制系統的硬件結構圖。圖2是本發明所述內部熱耦合精餾塔結構示意圖。圖3是本發明上位機的功能結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。實施例1參照圖1、圖2、圖3，一種內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，包括內部熱耦 合精餾塔1連接的現場智能儀表2和控制站4、數據庫5以及上位機6，所述現場智能儀表 2與數據接口 3連接，所述數據接口 3與控制站4、數據庫5以及上位機6連接，所述的上位 機6包括信號采集模塊7，用以采集當前生產工況數據；節能控制模塊8，用以節能控制，采用以下過程來完成1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料流量初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，分別計算汽液相的焓值；5)由式(1)⑵計算各塔板的汽液相流量V其+UhH1^Fj Hj -(Vj-(Uj+^-Qj =0(1)VJ+l +Uja ^Ff+F^-(Vj +sf)-(Uj +s^)=0(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UAAT(3)其中，UA表示熱耦合系數，ΔΤ表示耦合塔板間的溫差；6)判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續7)，否則，更新各塔板液相組成，返回 3)迭代； 其中，χ是液相組成，y是汽相組成，ζ是進料組成，下標i = 1，...M表示組分，M表示組分數；7)判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回2)繼續迭代。所述上位機6還包括泡點法模塊9，用以由泡點法計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)計算汽液平衡常數，采用以下過程完成
(5)
(6)
(7)
(8)其中，Φ表示逸度系數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，. . .，M表示組分，M表示組分數，摩爾體積ν、物性參數ΙΛΙΛ bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性模塊計算；3.3)檢驗是否成立，成立則結束迭代，返回計算結果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3. 2)繼續迭代；所述上位機6還包括焓模塊10，用以計算汽液相混合焓，其過程如下 其中H廣表示第i個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。所述上位機6還包括物性模塊11，用以計算物性參數，其過程如下 Ω3 ,ω = 0.5(Ω3 +Ω3ω)(19)對汽相
(20)
(21)令Ag = aGP/R2T2(22)Bg = bGP/RT(23)αG = 2Bg-1(24)β° =Ag -3Bg -5B°2(25)γ0 = 2(Ba' + B°2) - AgBg(26)取初值為1-0. 6P,，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZgZg' + aGZGl + βΖ° +χ° =0(27)則，vG = RT/PZg(28)^=Q.2425361n^+3·5615536；(29)
vG-0.561553滬對液相
(31)令Al = aLP/R2T2(32)Bl = bLP/RT(33)αL = 2Bl-1(34)pL = Al - 3BL -5Β (35)yl =2{Β + Β1')-A1B1(36)取初值為Ρ,(0. 106+0. 078Ρ,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子tζ + OClZl1 + βΖι +rL =0(37) 則vL = RT/PZl(38)^=0.2425361nV;+3·561553^(39)Qai = Ci-Di τ +Ei τ ^ffi τ 3(40)Qb = O. 070721(41)τ = 0. OlT(42)其中，A、B、α、β、Y、τ是中間變量，C、D、Ε、W是常數，Τ。、P。、V。、Ζ。分別是臨界
溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數，、ω表示第i組分和第m組分的二元交互系數，是常數，下標C表示臨界點的性質，下標r表示對比態，下標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6還包括結果顯示模塊12，用于將節能控制結果傳給控制站進行 顯示，并通過現場總線將節能控制結果傳遞到現場操作站進行顯示。本實施例的內部熱耦合精餾塔節能潛力優化系統的硬件結構圖如附圖1所示，所 述的優化系統核心由包括信號采集模塊7、節能控制模塊8、泡點法模塊9、焓模塊10、物性 模塊11、結果顯示模塊12和人機界面的上位機6構成，此外還包括現場智能儀表2，數據 接口 3、控制站4、數據庫5和現場總線。內部熱耦合精餾塔1、智能儀表2、數據接口 3、控制 站4、數據庫5、上位機6通過現場總線依次相連，實現信息流的上傳和下達。節能控制系統 在上位機6上運行，可以方便地與底層系統進行信息交換。本實施例的優化系統的功能結構圖如附圖3所示，主要包括信號采集模塊7、節能 控制模塊8、泡點法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、結果顯示模塊12等。所述的平衡級節能控制方法按照如下步驟進行實施1)設定塔的結構參數，采集塔的生產工況數據，采集當前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯立式(1) (2)計算各塔板的汽液相流量^UJAHLJA +FJHFJ +^-Q =0(1)VJ+i +υΜ +Ff+F^ -[Vj+5；)=0(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UA Δ T(3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟 3)迭代；VJ+ly,J+l +Uj^m +Ff《+Ffz^j -(Vj +^yij -(Uj +S^xij <0.0001(4)7)判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續迭 代。實施例2參照圖1、圖2、圖3，一種內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制方法，所述的平衡級 節能控制方法包括以下步驟1)設定塔的結構參數，采集塔的生產工況數據，采集當前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯立式(1) (2)計算各塔板的汽液相流量
(1)
(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UA Δ T(3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟 3)迭代；
(4)7)判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續迭 代。所述步驟3)中，由泡點法計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)計算汽液平衡常數，采用以下過程完成
(7)
(8)其中，Φ表示逸度系數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，... M表示組分，M表示組分數，摩爾體積V、物性參數be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性參數計算單元計算；3.3)檢驗Ι-ΣΧ〈Ο.ΟΟ Η是否成立，成立則結束迭代，返回計算結果，否則，更新
塔板平衡溫度，返回步驟3. 2)繼續迭代。所述步驟4)中，計算汽液相混合焓，其過程如下
(9) 其中H廣表示第i個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。所述物性參數計算方法包括以下步驟 對汽相 取初值為1-0. 6P,，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Zg
(27)貝 對液相 取初值為P, (0. 106+0. 078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子t
(37)
則，vL = RT/PZl(38)
(39) b vL-0.56\553bLQai = Ci-Di τ +Ei τ ^ffi τ 3 (40)Qb = O. 070721(41)τ =0. OlT(42)其中，A、B、α、β、γ、τ、Ω。Ωb 是中間變量，C、D、Ε、W 是常數，Τ。、P。、V。、Zc 分
別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數，、ω表示第i組分和 第m組分的二元交互系數，是常數，下標c表示臨界點的性質，下標r表示對比態，下標 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，上位機將節能控制結果傳給控制站進行顯示，并通過現場總 線將計算結果傳遞到現場操作站進行顯示。本發明所提出的內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統及方法，已通過上述具體 實施步驟進行了描述，相關技術人員明顯能在不脫離本發明內容、精神和范圍內對本文所 述的裝置和操作方法進行改動或適當變更與組合，來實現本發明技術。特別需要指出的是， 所有相類似的替換和改動對本領域的技術人員是顯而易見的，它們都會被視為包括在本發 明精神、范圍和內容中。
權利要求
一種內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，包括與內部熱耦合精餾塔連接的現場智能儀表、控制站、數據庫以及上位機，所述現場智能儀表與控制站、數據庫和上位機連接，其特征在于所述的上位機包括信號采集模塊，用以采集當前生產工況數據；節能控制模塊，用以節能控制，采用以下過程來完成1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料流量初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，分別計算汽液相的焓值；5)由式(1)(2)計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表示進料流量，HF表示進料焓值，S表示側提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q＝UAΔT(3)其中，UA表示熱耦合系數，ΔT表示耦合塔板間的溫差；6)判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續7)，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>&lt;</mo><mn>0.0001</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1，...M表示組分，M表示組分數；7)判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長Δ，返回2)繼續迭代。
2.如權利要求1所述的內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，其特征在于所述的 上位機還包括泡點法模塊，用以由泡點法計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)計算汽液平衡常數，采用以下過程完成 Ii = KiXi (8)其中，Φ表示逸度系數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，T是溫度，P 是塔板壓強，下標m = 1，. . .M表示組分，M表示組分數，摩爾體積ν、物性參數lAb^bi、"、\ω、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性模塊計算； 3. 3)檢驗1-Σ少,<0.0001是否成立，成立則結束迭代，返回計算結果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3. 2)繼續迭代。3.如權利要求1或2所述的內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，其特征在于所 述的上位機還包括焓模塊，用以計算汽液相混合焓，其過程如下 其中Hi*表示第i個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。
4.如權利要求2所述的內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，其特征在于所述的 上位機還包括物性模塊，用以計算物性參數，其過程如下 取初值為1-0. 6&，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Ze Zg' +aGZG' +βΖα +γ0 =Q(27)則， 取初值為p,(0. 106+0. 078P,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子t Ζ +aLZ,} +PZl +Yl =Q(37)則， 其中，Α、Β、α、β、Υ、τ、Ω。Ω b是中間變量，C、D、Ε、W是常數，Τ。、P。、V。、Z2分別是 臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，h是對比壓力，R是氣體常數，I^m表示第i組分和第m組 分的二元交互系數，是常數，下標c表示臨界點的性質，下標r表示對比態，下標i，m表 示第i組分和第m組分的二元混合物。
5.如權利要求1或2所述的內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，其特征在于所 述的上位機還包括結果顯示模塊，用于將節能控制結果傳給控制站進行顯示，并通過現場總線將節能控 制結果傳遞到現場操作站進行顯示。
6.一種用如權利要求1所述的內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統實現的節能控 制方法，其特征在于所述的節能控制方法包括以下步驟1)設定塔的結構參數，采集塔的生產工況數據，采集當前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯立式(1)(2)計算各塔板的汽液相流量V1J^ +U丨 JTh ^-^+^-{υ,+^Η1；-^^(1) 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示側提 流量，下標j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示熱耦合量，由下式計算 Q = UA Δ T (3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟3) 迭代； (4)7)判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料流量 即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續迭代。
7.如權利要求6所述的節能控制方法，其特征在于所述步驟3)中，由泡點法計算平 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)計算汽液平衡常數，采用以下過程完成 其中，Φ表示逸度系數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，T是溫度，P 是塔板壓強，下標m = 1，. . .M表示組分，M表示組分數，摩爾體積ν、物性參數lAb^bi、"、 \ω、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性參數計算單元計算；3.3)檢驗ι-Σχ. o.oom是否成立，成立則結束迭代，返回計算結果，否則，更新塔板 i平衡溫度，返回步驟3. 2)繼續迭代。
8.如權利要求6或7所述的節能控制方法，其特征在于所述步驟4)中，計算汽液相 混合焓，其過程如下 其中Hi*表示第i個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。
9.如權利要求7所述的節能控制方法，其特征在于所述物性參數計算方法包括以下步驟 對汽相 令 取初值為1-0. 6P，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子 則， 對液相 令 取初值為P,(0. 106+0. 078P,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子 則， 其中，Α、Β、α、β、Υ、τ、Ω。Ω b是中間變量，C、D、Ε、W是常數，Τ。、P。、V。、Ζ。分別是 臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，h是對比壓力，R是氣體常數，I^m表示第i組分和第m組 分的二元交互系數，是常數，下標c表示臨界點的性質，下標r表示對比態，下標i，m表 示第i組分和第m組分的二元混合物。
10.如權利要求6或7所述的節能控制方法，其特征在于在所述的步驟7)中，上位機 將節能控制結果傳給控制站進行顯示，并通過現場總線將節能控制結果傳遞到現場操作站 進行顯示。
全文摘要
一種內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制系統，包括與內部熱耦合精餾塔連接的現場智能儀表、控制站、數據庫以及上位機，上位機包括信號采集模塊，用以采集當前生產工況數據；節能控制模塊，過程設定塔的結構參數和操作參數，指定進料流量初值；假定各塔板液相組成；對每一個塔板，分別計算其平衡溫度和汽相組成、汽液相的焓值和汽液相流量；判斷條件是否成立，如果成立，則繼續，否則，更新各塔板液相組成；判斷產品純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長Δ，繼續迭代。以及提出了一種內部熱耦合精餾塔平衡級節能控制方法。本發明在當前生產工況條件下使得內部熱耦合精餾塔單位能耗最小、節能性好。
文檔編號G05B19/418GK101840220SQ20091015566
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者劉興高, 周葉翔, 閆正兵 申請人:浙江大學