专利名称：内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及精馏节能领域，特别地，涉及一种内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统及方法。
背景技术：
自二十世纪七十年代经历两次“石油危机”，能源成为全球关注的问题以来，节能 作为解决能源危机问题的根本途径之一，逐渐受到各国的高度重视。精馏过程是石油炼制、石油化工和其它化工过程中应用最为广泛的传质单元操作 过程，也是石油化工领域中能耗最大的单元操作之一，其能耗约占化工厂总能耗的三分之 一，有时甚至还更多。美国的统计数据表明，美国1976年精馏耗能约占全国总能耗的3%， 如果精馏过程节能10%，相当于每天节省100000桶石油，若以当时的每桶石油40美元计 算，相当于美国1976年的精馏过程的操作费用每天可以节省400万美元，全年仅精馏过程 可以节省约15亿美元。从二十世纪七十年代以来，研究者已经从热力学、操作原理等角度提出了大量的 精馏过程的节能方法。内部热耦合精馏塔是这些方法中最吸引人的一种，目前精馏塔节能 研究的一个前沿。研究结果表明，内部热耦合精馏塔与常规精馏塔最小回流比下的能耗和 操作费用相比还可以节省30%以上。过程在线优化是指综合应用过程建模技术、优化技术、 先进控制技术以及计算机技术，在满足生产安全要求以及产品质量约束等条件下，不断计 算并改变过程的操作条件，使得生产过程始终运行在“最优状态”。研究表明，在线优化所带来的经济效益，相当于DCS和各种先进控制手段所带来 的经济效益的总和，其投资却只有先进控制的三分之一。可见在线优化的成功实施是企业 获取最小经济效益的必要保证。内部热耦合精馏塔平衡级节能控制是指基于内部热耦合精 馏塔平衡级模型，在满足产品纯度要求的前提下，不断计算并改变精馏塔的进料流量，使得 精馏过程始终运行在产量最大即单位能耗最小的状态。
发明内容
为了克服目前内部热耦合精馏塔尚无节能控制系统、单位能耗较大的不足，本发 明提供一种在当前生产工况条件下使得内部热耦合精馏塔单位能耗最小、节能性好的内部 热耦合精馏塔平衡级节能控制系统及方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现 场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，所述现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连 接，所述的上位机包括信号采集模块，用以采集当前生产工况数据；节能控制模块，用以节能控制，采用以下过程来完成1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；
2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；5)由式(1) (2)计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表示进料流量，Hf表示进料焓值，S表示 侧提流量，Hg和Hl分别是汽液相焓值，下标j_l、j、j+1分别表示第j_l、j、j+1块板，上标 L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算Q = UAAT(3)其中，UA表示热耦合系数，ΔΤ表示耦合塔板间的温差；6)判断下式是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，返回3) 迭代； 其中，χ是液相组成，y是汽相组成，ζ是进料组成，下标i = 1，...M表示组分，M 表示组分数；7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料 流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长△，返回2)继续迭代。作为优选的一种方案所述的上位机还包括泡点法模块，用以由泡点法计算其 平衡温度和汽相组成，其过程如下3. 1)假定塔板平衡温度；3. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成 K1 = Φ,1 /Of(7)Yi = KiXi(8)其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温 度，P是塔板压强，下标m = 1，... M表示组分，M表示组分数，摩尔体积V、物性参数be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相压缩因子Ze、液相压缩因子t由物性模块计算；3.3)检验I-ΣΧ <0.0001是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新
塔板平衡温度，返回3. 2)继续迭代。作为优选的另一种方案所述的上位机还包括焓模块，用以计算汽液相混合焓， 其过程如下
其中Hi*表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，c、d、e、f、 h为常数。作为优选的再一种方案所述的上位机还包括物性模块，用以计算物性参数，其 过程如下
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)对汽相
(20)
(21)令
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)取初值为1-0. 用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子Ze
(27) 则
(28) 对液相
(30)
令 取初值为Pr (0. 106+0. 078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子t 则 Qb = 0.070721(41)τ = 0. OlT(42)其中，Α、B、α、β、γ、τ、Ω。Ωb 是中间变量，C、D、Ε、W 是常数，Τ。、P。、V。、Zc 分
别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，、ω表示第i组分和 第m组分的二元交互系数，是常数，下标c表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标 i，m表示第i组分和第m组分的二元混合物。进一步，所述的上位机还包括结果显示模块，用于将节能控制结果传给控制站进 行显示，并通过现场总线将节能控制结果传递到现场操作站进行显示。一种用所述的内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统实现的节能控制方法，所述 的节能控制方法包括以下步骤1)设定塔的结构参数，采集塔的生产工况数据，采集当前进料流量作为初值；2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，计算其汽液相的焓值；5)联立式⑴⑵计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表示进料流量，Hf表示进料焓值，S表示 侧提流量，下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，Q表示热耦合量，由下式计算Q = UA Δ T(3)；6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤 3)迭代；
VJ+lyiJ+] +Uj^ +Ffz^ +Ff^j -(Vj +^yij -(Uj +S^xij <0.0001(4)
7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料 流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长△，返回步骤2)继续迭 代。作为优选的一种方案所述步骤3)中，由泡点法计算平衡温度和汽相组成的过程 如下
3. 1)假定塔板平衡温度；3. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成 其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温 度，P是塔板压强，下标m = 1，... M表示组分，M表示组分数，摩尔体积ν、物性参数be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相压缩因子Ze、液相压缩因子t由物性参数计算单元计算；3.3)检验1-ΣΧ <0.00(η是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新
塔板平衡温度，返回步骤3. 2)继续迭代。作为优选的另一种方案所述步骤4)中，计算汽液相混合焓，其过程如下 其中H广表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，C、d、e、f、 h为常数。作为优选的再一种方案所述物性参数计算方法包括以下步骤 取初值为P,(0. 106+0. 078P,)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子t 其中，
是中间变量，C、D、Ε、W 是常数，Τ。、P。、V。、Zc 分
别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，、ω表示第i组分和第m组分的二元交互系数，是常数，下标c表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标 i，m表示第i组分和第m组分的二元混合物。进一步，在所述的步骤7)中，上位机将节能控制结果传给控制站进行显示，并通 过现场总线将节能控制结果传递到现场操作站进行显示。
本发明的有益效果主要表现在1、对内部热耦合精馏塔进行平衡级节能控制；2、 可以用于指导生产，在满足当前生产工况要求的前提下提高产量；3、降低单位产品能耗，提 高生产效益。
图1是本发明所提出的平衡级节能控制系统的硬件结构图。图2是本发明所述内部热耦合精馏塔结构示意图。图3是本发明上位机的功能结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。实施例1参照图1、图2、图3，一种内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，包括内部热耦 合精馏塔1连接的现场智能仪表2和控制站4、数据库5以及上位机6，所述现场智能仪表 2与数据接口 3连接，所述数据接口 3与控制站4、数据库5以及上位机6连接，所述的上位 机6包括信号采集模块7，用以采集当前生产工况数据；节能控制模块8，用以节能控制，采用以下过程来完成1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；5)由式(1)⑵计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表示进料流量，Hf表示进料焓值，S表示 侧提流量，Hg和Hl分别是汽液相焓值，下标j_l、j、j+1分别表示第j_l、j、j+1块板，上标 L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算Q = UAAT(3)其中，UA表示热耦合系数，ΔΤ表示耦合塔板间的温差；6)判断下式(4)是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，返回 3)迭代； 其中，χ是液相组成，y是汽相组成，ζ是进料组成，下标i = 1，...M表示组分，M表示组分数；7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料 流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长△，返回2)继续迭代。所述上位机6还包括泡点法模块9，用以由泡点法计算其平衡温度和汽相组成， 其过程如下3.1)假定塔板平衡温度；3. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成
(5)
(6)
(7)
(8)其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温 度，P是塔板压强，下标m = 1，. . .，M表示组分，M表示组分数，摩尔体积ν、物性参数ΙΛΙΛ bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相压缩因子Ze、液相压缩因子t由物性模块计算；3.3)检验是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新塔板平衡温度，返回3. 2)继续迭代；所述上位机6还包括焓模块10，用以计算汽液相混合焓，其过程如下 其中H广表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，C、d、e、f、 h为常数。所述上位机6还包括物性模块11，用以计算物性参数，其过程如下 Ω3 ,ω = 0.5(Ω3 +Ω3ω)(19)对汽相
(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)取初值为1-0. 6P,，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZgZg' + aGZGl + βΖ° +χ° =0(27)则，vG = RT/PZg(28)^=Q.2425361n^+3·5615536；(29)
vG-0.561553沪对液相
(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)取初值为Ρ,(0. 106+0. 078Ρ,)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子tζ + OClZl1 + βΖι +rL =0(37) 则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是中间变量，C、D、Ε、W是常数，Τ。、P。、V。、Ζ。分别是临界
温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，、ω表示第i组分和第m组分的二元交互系数，是常数，下标C表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标i，m表示 第i组分和第m组分的二元混合物，Qa、Qb是中间变量；所述的上位机6还包括结果显示模块12，用于将节能控制结果传给控制站进行 显示，并通过现场总线将节能控制结果传递到现场操作站进行显示。本实施例的内部热耦合精馏塔节能潜力优化系统的硬件结构图如附图1所示，所 述的优化系统核心由包括信号采集模块7、节能控制模块8、泡点法模块9、焓模块10、物性 模块11、结果显示模块12和人机界面的上位机6构成，此外还包括现场智能仪表2，数据 接口 3、控制站4、数据库5和现场总线。内部热耦合精馏塔1、智能仪表2、数据接口 3、控制 站4、数据库5、上位机6通过现场总线依次相连，实现信息流的上传和下达。节能控制系统 在上位机6上运行，可以方便地与底层系统进行信息交换。本实施例的优化系统的功能结构图如附图3所示，主要包括信号采集模块7、节能 控制模块8、泡点法模块9、焓模块10、物性模块11、结果显示模块12等。所述的平衡级节能控制方法按照如下步骤进行实施1)设定塔的结构参数，采集塔的生产工况数据，采集当前进料流量作为初值；2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，计算其汽液相的焓值；5)联立式(1) (2)计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表示进料流量，Hf表示进料焓值，S表示 侧提流量，Hg和Hl分别是汽液相焓值，下标j_l、j、j+1分别表示第j_l、j、j+1块板，上标 L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算Q = UA Δ T(3)；6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤 3)迭代；VJ+ly,J+l +Uj^m +Ff《+Ffz^j -(Vj +^yij -(Uj +S^xij <0.0001(4)7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料 流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长△，返回步骤2)继续迭 代。实施例2参照图1、图2、图3，一种内部热耦合精馏塔平衡级节能控制方法，所述的平衡级 节能控制方法包括以下步骤1)设定塔的结构参数，采集塔的生产工况数据，采集当前进料流量作为初值；2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，计算其汽液相的焓值；5)联立式(1) (2)计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表示进料流量，Hf表示进料焓值，S表示 侧提流量，Hg和Hl分别是汽液相焓值，下标j_l、j、j+1分别表示第j_l、j、j+1块板，上标 L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算Q = UA Δ T(3)；6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤 3)迭代；
(4)7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料 流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长△，返回步骤2)继续迭 代。所述步骤3)中，由泡点法计算平衡温度和汽相组成的过程如下3. 1)假定塔板平衡温度；3. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成
(7)
(8)其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温 度，P是塔板压强，下标m = 1，... M表示组分，M表示组分数，摩尔体积V、物性参数be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相压缩因子Ze、液相压缩因子t由物性参数计算单元计算；3.3)检验Ι-ΣΧ〈Ο.ΟΟ Η是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新
塔板平衡温度，返回步骤3. 2)继续迭代。所述步骤4)中，计算汽液相混合焓，其过程如下
(9) 其中H广表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，C、d、e、f、h为常数。所述物性参数计算方法包括以下步骤 对汽相 取初值为1-0. 6P,，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子Zg
(27)贝 对液相 取初值为P, (0. 106+0. 078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子t
(37)
则，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 是中间变量，C、D、Ε、W 是常数，Τ。、P。、V。、Zc 分
别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，、ω表示第i组分和 第m组分的二元交互系数，是常数，下标c表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标 i，m表示第i组分和第m组分的二元混合物。在所述的步骤7)中，上位机将节能控制结果传给控制站进行显示，并通过现场总 线将计算结果传递到现场操作站进行显示。本发明所提出的内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统及方法，已通过上述具体 实施步骤进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所 述的装置和操作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是， 所有相类似的替换和改动对本领域的技术人员是显而易见的，它们都会被视为包括在本发 明精神、范围和内容中。
权利要求
一种内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，所述现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连接，其特征在于所述的上位机包括信号采集模块，用以采集当前生产工况数据；节能控制模块，用以节能控制，采用以下过程来完成1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；5)由式(1)(2)计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表示进料流量，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL分别是汽液相焓值，下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，上标L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算Q＝UAΔT(3)其中，UA表示热耦合系数，ΔT表示耦合塔板间的温差；6)判断下式(4)是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，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>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1，...M表示组分，M表示组分数；7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回2)继续迭代。
2.如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，其特征在于所述的 上位机还包括泡点法模块，用以由泡点法计算其平衡温度和汽相组成，其过程如下
3.1)假定塔板平衡温度；3. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成 Ii = KiXi (8)其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温度，P 是塔板压强，下标m = 1，. . .M表示组分，M表示组分数，摩尔体积ν、物性参数lAb^bi、"、\ω、ξ \ ξ \汽相压缩因子Ze、液相压缩因子t由物性模块计算； 3. 3)检验1-Σ少,<0.0001是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新塔板平衡温度，返回3. 2)继续迭代。3.如权利要求1或2所述的内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，其特征在于所 述的上位机还包括焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下 其中Hi*表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，c、d、e、f、h为常数。
4.如权利要求2所述的内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，其特征在于所述的 上位机还包括物性模块，用以计算物性参数，其过程如下 取初值为1-0. 6&，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子Ze Zg' +aGZG' +βΖα +γ0 =Q(27)则， 取初值为p,(0. 106+0. 078P,)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子t Ζ +aLZ,} +PZl +Yl =Q(37)则， 其中，Α、Β、α、β、Υ、τ、Ω。Ω b是中间变量，C、D、Ε、W是常数，Τ。、P。、V。、Z2分别是 临界温度、压力、体积和压缩因子，h是对比压力，R是气体常数，I^m表示第i组分和第m组 分的二元交互系数，是常数，下标c表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标i，m表 示第i组分和第m组分的二元混合物。
5.如权利要求1或2所述的内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，其特征在于所 述的上位机还包括结果显示模块，用于将节能控制结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将节能控 制结果传递到现场操作站进行显示。
6.一种用如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统实现的节能控 制方法，其特征在于所述的节能控制方法包括以下步骤1)设定塔的结构参数，采集塔的生产工况数据，采集当前进料流量作为初值；2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，计算其汽液相的焓值；5)联立式(1)(2)计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表示进料流量，Hf表示进料焓值，S表示侧提 流量，下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，Q表示热耦合量，由下式计算 Q = UA Δ T (3)；6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤3) 迭代； (4)7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量 即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长△，返回步骤2)继续迭代。
7.如权利要求6所述的节能控制方法，其特征在于所述步骤3)中，由泡点法计算平 衡温度和汽相组成的过程如下3.1)假定塔板平衡温度；3.2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成 其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，T是温度，P 是塔板压强，下标m = 1，. . .M表示组分，M表示组分数，摩尔体积ν、物性参数lAb^bi、"、 \ω、ξ \ ξ \汽相压缩因子Ze、液相压缩因子t由物性参数计算单元计算；3.3)检验ι-Σχ. o.oom是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新塔板 i平衡温度，返回步骤3. 2)继续迭代。
8.如权利要求6或7所述的节能控制方法，其特征在于所述步骤4)中，计算汽液相 混合焓，其过程如下 其中Hi*表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，c、d、e、f、h为常数。
9.如权利要求7所述的节能控制方法，其特征在于所述物性参数计算方法包括以下步骤 对汽相 令 取初值为1-0. 6P，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子 则， 对液相 令 取初值为P,(0. 106+0. 078P,)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子 则， 其中，Α、Β、α、β、Υ、τ、Ω。Ω b是中间变量，C、D、Ε、W是常数，Τ。、P。、V。、Ζ。分别是 临界温度、压力、体积和压缩因子，h是对比压力，R是气体常数，I^m表示第i组分和第m组 分的二元交互系数，是常数，下标c表示临界点的性质，下标r表示对比态，下标i，m表 示第i组分和第m组分的二元混合物。
10.如权利要求6或7所述的节能控制方法，其特征在于在所述的步骤7)中，上位机 将节能控制结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将节能控制结果传递到现场操作站 进行显示。
全文摘要
一种内部热耦合精馏塔平衡级节能控制系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，上位机包括信号采集模块，用以采集当前生产工况数据；节能控制模块，过程设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；假定各塔板液相组成；对每一个塔板，分别计算其平衡温度和汽相组成、汽液相的焓值和汽液相流量；判断条件是否成立，如果成立，则继续，否则，更新各塔板液相组成；判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，继续迭代。以及提出了一种内部热耦合精馏塔平衡级节能控制方法。本发明在当前生产工况条件下使得内部热耦合精馏塔单位能耗最小、节能性好。
文档编号G05B19/418GK101840220SQ20091015566
公开日2010年9月22日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年12月29日
发明者刘兴高, 周叶翔, 闫正兵 申请人:浙江大学