[發(fā)明專利]內(nèi)部熱耦合空分塔非平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910157186.0
• 申請日: 2009-12-23
• 公開（公告）號: CN101776901A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉興高;閆正兵
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;王利強

1.一種內(nèi)部熱耦合空分塔非平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合空分塔連接 的現(xiàn)場智能儀表、以及控制站、數(shù)據(jù)庫和上位機，智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫、 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(chǎn)工況數(shù)據(jù)；

節(jié)能控制模塊，用以節(jié)能控制，采用以下過程來完成：

1.1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進料空氣流量初值

1.2)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度；

1.3)對每一個塔板，分別計算液相傳質(zhì)通量：

Lj-1xi,j-1+FjLzi,jL-(Lj+SjL)xi,j+Ni,jL=0---(1)]]>

其中，L表示液相流量，F(xiàn)表示進料流量，S表示側(cè)提流量，x表示液相組成， z表示進料組成，N表示傳質(zhì)通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分， 依次對應(yīng)氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板；

1.4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成

Vj+1yi,j+1+FjGzi,jG-(Vj+SjG)yi,j-Ni,jL=0---(2)]]>

其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相；

1.5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值；

1.6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質(zhì)系數(shù)；

1.7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成：

NiL=keff,iLa(xiI-xi)+xiNt]]>i＝1，2????????????????????????????????????????????(3)

Σi=13xiI=1---(4)]]>

其中，表示第i個組分液相有效傳質(zhì)系數(shù)，a表示傳質(zhì)面積，表示第i 個組分的液相界面組成，N_t表示總傳質(zhì)通量；

1.8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其汽相界面組成；

1.9)判斷下式是否滿足，如果滿足則繼續(xù)1.10)，如果不滿足則更新各塔板 液相主體組成、汽液相流量塔板溫度，返回1.3)繼續(xù)迭代：

Vj+1Hj+1G+Lj-1Hj-1L+FjGHjFG+FjLHjFL-(Vj+SjG)HjG-(Lj+SjL)HjL-Qj<ϵ---(5)]]>

Σi=13xi,j-1<ϵ---(6)]]>

Σi=13yi,j-1<ϵ---(7)]]>

keff,iGa(yi-yiI)+yiNt-Ni,jL<ϵ]]>i＝1，2????????????????????????????????????????(8)

其中，H^FG、H^FL分別表示汽液相進料焓值，H^G和H^L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，ε是容差，是汽相有效傳質(zhì)系 數(shù)，Q表示熱耦合量，由下式計算：

Q＝UAΔT???????????????????????????????????????(9)

其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差；

1.10)判斷產(chǎn)品氮氣、氧氣的純度和產(chǎn)量是否滿足當前生產(chǎn)工況要求，如果不滿 足則結(jié)束迭代，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，輸出結(jié)果；如果滿 足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ，返回1.2)繼續(xù)迭代；

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：

8.1)假定塔板平衡溫度；

8.2)計算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成：

lnΦiL=lnRTP(vL-bL)-bibL(1-ZL)+ξLaL(bibL-2Σmxmai,maL)/bLRT---(10)]]>

lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(11)]]>

Ki=ΦiL/ΦiG---(12)]]>

y_i＝K_ix_i????????????????????????????????????(13)

其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數(shù)， T是溫度，P是塔板壓強，下標m＝1、2、3表示組分，依次對應(yīng)氮、氬、氧，摩 爾體積v、參數(shù)b^G、b^L、bⁱ、a^G、a^L、a_i，m、ξ^G、ξ^L、汽相壓縮因子Z^G、液相 壓縮因子Z^L由物性模塊計算；

8.3)檢驗是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計算結(jié)果，否 則，更新塔板平衡溫度，返回8.2)繼續(xù)迭代；

所述上位機還包括：焓模塊，用以計算汽液相混合焓，其過程如下：

Hi*=ci+diT+eiT2+fiT3+hiT4---(14)]]>

H*=ΣiyiHi*---(15)]]>

HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(16)]]>

HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(17)]]>

其中表示第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(shù)；

所述上位機還包括：物性模塊，用以計算物性參數(shù)，其過程如下：

ai,m=Ωai,mR2Tci,m2/Pci,m---(18)]]>

b_i＝Ω_bRT_ci/P_cia????????????????????????(19)

Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(20)]]>

Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(21)]]>

Z_ci，m＝0.5(Z_ci+Z_cm)????????????????????(22)

P_ci，m＝RT_ci，mZ_ci，m/V_ci，m????????????(23)

Ω_ai，m＝0.5(Ω_ai+Ω_am)?????????????????(24)

對汽相：

aG=ΣiΣmyiymai,m---(25)]]>

bG=Σiyibi---(26)]]>

令

A^G＝a^GP/R²T²??????????????????(27)

B^G＝b^GP/RT????????????????????(28)

α^G＝2B^G-1????????????????????(29)

βG=AG-3BG-5BG2---(30)]]>

γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(31)]]>

取初值為1-0.6P_r，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Z^G

ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(32)]]>

則，

v^G＝RT/PZ^G????????????????????(33)

ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(34)]]>

對液相：

aL=ΣiΣmxixmai,m---(35)]]>

bL=Σixibi---(36)]]>

令

A^L＝a^LP/R²T²??????????????????(37)

B^L＝b^LP/RT????????????????????(38)

α^L＝2B^L-1????????????????????(39)

βL=AL-3BL-5BL2---(40)]]>

γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(41)]]>

取初值為P_r(0.106+0.078P_r)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子Z^L

ZL3+αLZL2+βZL+γL=0---(42)]]>

則，

v^L＝RT/PZ^L????????????????????(43)

ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(44)]]>

Ω_ai＝C_i-D_iτ+E_iτ²-W_iτ³?????(45)

Ω_b＝0.070721?????????????????(46)

τ＝0.01T?????????????????????(47)

其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，T_c、P_c、 V_c、Z_c分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，P_r是對比壓力，R是氣體常數(shù)，k_i，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，k_i，m是常數(shù)，下標c表示臨界點的性 質(zhì)，下標r表示對比態(tài)，下標i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ω_a、Ω_b 是中間變量。