专利名称：内部热耦合精馏塔非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非平衡级节能控
制系统及方法。
背景技术：
内部热耦合精馏技术是至今为止所提出的四大节能精馏技术中节能效能最高的 一项节能技术。内部热耦合精馏塔减少了常规精馏塔的冷凝器和再沸器的热负荷，让热量 从精馏段传向提馏段，因此精馏段需要工作在比提馏段高的压力和温度下。为了调节工作 压力，一个压縮机和一个节流阀被安排在两部分之间。由于精馏段与提馏段的压力差和热 耦合结构，一定数量的热量从精馏段传向提馏段，从而给精馏段提供向下的回流液，给提馏 段提供向上的蒸汽流。精馏段的流速向上递减而提馏段的流速向下递减。通过热量的内部 耦合，可以去掉常规的再沸器和冷凝器，大量的能量被再利用，从而大幅度的降低了能耗。 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。 非平衡级模型，又称速率模型，是建立在传质和传热速率方程上的多元分离过程 模型。非平衡级模型抛弃了平衡级假设，而保留了全混级假设，不需要进行效率计算，按实 际塔板计算，可以得到更加精确的组分、效率和温度等分布。内部热耦合精馏塔非平衡级节 能控制是指基于内部热耦合精馏塔非平衡级模型，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
热耦合精馏塔非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 —种内部热耦合精馏塔非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)假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；
3)对每一个塔板，分别计算液相传质通量<formula>formula see original document page 9</formula> ( 1 ) 其中，L表示液相流量，F表示进料流量，S表示侧提流量，x表示液相组成，z表示 进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i = 1， . . . ， M表示组分，M表示组分数，下标j_l、 j分别表示第j-l和第j块塔板；
4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成 "+1 -化-《.=0 ( 2) 其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相； 5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值； 6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数； 7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成
-x,)+x,JV( i = 1 ， 2 (3)
3 》〖=1 (4) 其中，keff,,表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积， < 表示第i个 组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量； 8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成； 9)判断下式(5)是否满足，如果满足则继续10)，如果不满足则更新各塔板液相主
体组成、汽液相流量、塔板温度，返回3)继续迭代 ,+if《+《《,+《)《-<s (5) ^'厂1"
lX厂l"
(6)
(7)
'=i -乂)-《)< "=1 ， 2 (8) 其中，Hre、,分别表示汽液相进料焓值，He和#分别是汽液相焓值，下标j_l、 j、 j+l分别表示第j-l、j、j+l块板，e是容差，keff, 是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量， 由下式计算 Q = UA A T (9) 其中，UA表示热耦合系数，A T表示耦合塔板间的温差； 10)判断产品纯度和产量是否满足当前生产工况要求，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 衡温度和汽相界面组成，其过程如下
8. 1)假定塔板平衡温度； 8. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成
ln①f =ln~~-4(1-Z丄)+《V(与-"^——)/Z/灯 ' iV-6丄)6L ^ V fl丄
In Of = In
(10)
(ii)
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偶2乂 4
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(50)
(51) g" = 1.97xl04《5(0.4Fa +0.17)^L
其中，ki,Z和ki 分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，P J是汽相 密度，n^是汽相粘度，Di,kS是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，P^是
液相密度，小是开孔率，Om是混合液体的表面张力，h。w是板上清液层高，Di 是液相二元
交互系数，k是停留时间。 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。 —种用所述的内部热耦合精馏塔非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) 假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；
3) 对每一个塔板，分别计算液相传质通量
AOw+《=0
其中，L表示液相流量，F表示进料、》
'右"
:，s表示侧提流
i，
进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i 下标j-l、 j分别表示第j-l和第j块塔板；
4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成 +if《—化+5f —《=0 其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相 5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值； 6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数； 7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成 Af =-x,)十x,JV' i = 1 ， 2 (3)
3 Z《=1
(1)
x表示液相组成，z表示 M表示组分，M表示组分数，
(2)
(4)
^=1
其中，表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量；
8) 对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成；
9) 判断下式(5)是否满足，如果满足则继续步骤10)，如果不满足则更新各塔板液
相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回步骤3)继续迭代
^/^+^碌化+5f)《—"
(5) 》,广1"
(6)
(7) — 乂)-A^. < f i = 1 ， 2 (8) 其中，Hre、,分别表示汽液相进料焓值，He和#分别是汽液相焓值，下标j-l、 j-j+l分别表示第j-l、j、j+l块板，e是容差，keff, 是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量， 由下式计算 Q = UA A T (9) 其中，UA表示热耦合系数，AT表示耦合塔板间的温差； 10)判断产品纯度和产量是否满足当前生产工况要求，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8)中，由泡点法计算平衡温度和汽相界面组成的 过程如下 8. 1)假定塔板平衡温度；
8. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成
<formula>formula see original document page 14</formula> 其中，①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、b\ bp ^、 a\ ai,m、《e、《L、汽相压縮因子Z^液相压縮因子由物性参数计算方法计算； 8. 3)检验
1-1>,
<0.000堤否成立，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8. 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
<formula>formula see original document page 14</formula>
其中表示第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的过程如下 <formula>formula see original document page 14</formula>
^=0.125(C+C)3(21)Zci,m = 0.5(Zci+ZCm)(22)Pci ， mRTci ， mZci ， m/Vci ， m(23)Qai,m = 0.5(Qai+Qanl)(24)对汽相(25)(26)令AG = aGP/R2T2(27)BG = bGP/RT(28)a G = 2BG_1(29)"G = jG—35G—5SG2(30)尸g =2(5g3 +5g2)_^g5g(31)取初值为1-0. 6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压縮因子f
Zg3 + +"Zg+;kg =0(32)则，vG = RT/PZG(33)《e = 0.242536 In ^-^ vG-0.5615536G(34)对液相a丄=2]1]仏％(35)(36)令AL = aLP/R2T2(37)BL = bLP/RT(38)a l = 2BL_1(39)々丄=ji—3S1—5512(40)y丄=2(5i3 +5i2)_ ^^B丄(41)取初值为Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压縮
+c^Zi2 =0(42)则，vL = RT/PZL(43) 濕《+3.56觸 v'-0.561(44)^i二Ci-Dj+Ei -Wi (45)Qb = 0. 070721(46)
<formula>formula see original document page 16</formula>
其中，A、B、 a、 p、 y、 t是中间变量，C、D、e、W是常数，Te、 Pe、 Ve、 Ze分别是临 界温度、压力、体积和压縮因子，^是对比压力，R是气体常数，ku表示第i组分和第m组 分的二元交互系数，km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。 作为优选的再另一种方案所述步骤6)中，计算汽液相有效传质系数，其过程如 下
<formula>formula see original document page 16</formula>
其中，ki,^和ki 分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，P J是汽相
密度，n^是汽相粘度，Di,kS是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，P^是
液相密度，小是开孔率，Om是混合液体的表面张力，h。w是板上清液层高，Di 是液相二元 交互系数，、是停留时间。 进一步，在所述的步骤10)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非平衡级节能控制；
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是本发明所提出的非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非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、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和上位机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，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) 假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；
3) 对每一个塔板，分别计算液相传质通量
V而-,+^《-(A《k+At=0
其中，L表示液相流量，S表示侧提流量，F表示进料沒
1，
右，
(1)
:，x表示液相组成，z表示
M表示组分，M表示组分数，
(2)
进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i下标j-l、 j分别表示第j-l和第j块塔板；
4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成 "+1 +/f《■-化+也-《.=0 其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相 5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值； 6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数； 7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成 jVf =《#,(x〈 —x,)+x,.tV' i = 1 ， 2 (3) =1 其中，krff,,表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积，表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量； 8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成； 9)判断下式(5)是否满足，如果满足则继续10)，如果不满足则更新各塔板液相主
体组成、汽液相流量、塔板温度，返回3)继续迭代 ^《+丄尸^+if《+if《如5f)《-(A+《)^-Q " (5)
(4) XX厂1《 2x,广l"
(6)
(7) 《, -乂)-《."i = 1 ， 2 (8) 其中，Hre、,分别表示汽液相进料焓值，He和#分别是汽液相焓值，下标j-l、 j、j+l分别表示第j-l、j、j+l块板，e是容差，keff, 是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量，由下式计算 Q = UAAT (9) 其中，UA表示热耦合系数，A T表示耦合塔板间的温差； 10)判断产品纯度和产量是否满足当前生产工况要求，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
Zg3 +orGZG2 +"ZG+/G =0(32)则，vG = RT/PZG(33)《G = 0.242536 In ^-p b ,-0.5615536G(34)对液相(35)(36)令AL = aLP/R2T2(37)BL = bLP/RT(38)a l = 2BL_1(39)々丄二」丄一35'— 55i2(40)y丄=2(5丄3 +5￡2) —^丄51(41)取初值为Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压縮因子
+c^Zi2/ =0(42)则，vL = RT/PZL(43)^=,361々3遍36: b一-0.56155361(44)^i二Ci-Dj+Ei -Wi (45)Qb = 0. 070721(46)t = 0. 01T(47)其中，A、B、 a 、 |3 、 y、 t是中间变量，C、D、E、W是常数，T。p。、V。、Z。分别是临
界温度、压力、体积和压縮因子，^是对比压力，R是气体常数，ku表示第i组分和第m组 分的二元交互系数，km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。 所述上位机6还包括传质系数模块12，计算汽液相有效传质系数，其过程如下<formula>formula see original document page 20</formula>
其中，和ki 分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，P J是汽相
密度，n^是汽相粘度，Di,kS是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，P^是
液相密度，小是开孔率，Om是混合液体的表面张力，h。w是板上清液层高，Di 是液相二元交互系数，、是停留时间。 所述的上位机6还包括结果显示模块13，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、传质系数模块12、结果显示模块13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、传质系数模块12、结果显示模块13等。
所述的非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) 假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；
3) 对每一个塔板，分别计算液相传质通量
"4 +"《+《.=0
其中，L表示液相流量，F表示进料、》
'右"
:，s表示侧提流
i，
进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i下标j-l、 j分别表示第j-l和第j块塔板；
4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成"+,《《-化+也-《=0 其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相 5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值； 6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数； 7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成 Af i = 1 ， 2 (3)
(1)
x表示液相组成，z表示M表示组分，M表示组分数，
(2)
(4) 其中，表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量； 8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成； 9)判断下式(5)是否满足，如果满足则继续步骤10)，如果不满足则更新各塔板液
相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回步骤3)继续迭代 ,/^+if《+if/f—化+5f)《一(A+《)^—<s (5) Z^j'-l" (6) lX厂l"
(7) — 乂)- Aj <s i = 1 ， 2 (8) 其中，Hre、,分别表示汽液相进料焓值，He和#分别是汽液相焓值，下标j_l、 j、 j+l分别表示第j-l、j、j+l块板，e是容差，keff, 是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量， 由下式计算 Q = UAAT (9) 其中，UA表示热耦合系数，A T表示耦合塔板间的温差； 10)判断产品纯度和产量是否满足当前生产工况要求，如果不满足则结束迭代，输
: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A ，
'右"
-步的进料流
出结果，前-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非平衡级节能控制方法，所述的非平 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) 假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；
3) 对每一个塔板，分别计算液相传质通量
其中，L表示液相流量，F表示进料、》
'右"
:，s表示侧提流
i，
进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i 下标j-l、 j分别表示第j-l和第j块塔板；
4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成 《《-化+也.-《.=0 其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相 5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值； 6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数； 7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成 《=《,《《-x,)+x,JV'i = 1， 2 (3)
(1)
x表示液相组成，z表示 M表示组分，M表示组分数，
(2)
2《=1
(4) 其中，表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量； 8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成； 9)判断下式(5)是否满足，如果满足则继续步骤10)，如果不满足则更新各塔板液
相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回步骤3)继续迭代 ^《:1+^《,+if《G+《《-(K+5f)《—"+《)《—Q " (5) tx,,7_1<￡
3 》',厂1"
(6)
(7)
,=1 — 乂 ) 一《。< s i = 1 ， 2 (8) 其中，Hre、,分别表示汽液相进料焓值，He和#分别是汽液相焓值，下标j_l、 j、j+l分别表示第j-l、j、j+l块板，e是容差，Q表示热耦合量，由下式计算
Q = UA A T (9) 其中，UA表示热耦合系数，A T表示耦合塔板间的温差； 10)判断产品纯度和产量是否满足当前生产工况要求，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8)中，由泡点法计算平衡温度和汽相界面组成的过程如下8. 1)假定塔板平衡温度；8. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成
ln(D〖=ln 灯」4(1-Z" + ,v(与-~m : ' )/"r (10)
6丄)6丄
lnO& =ln-
灯
& '- 7G人■ ffG G/6..
,G lG、 、 /， 、^G
f)
(ii) 《=<Df/<D「 (12)
yi = (13) 其中，①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、b\bp ^、 a\ ai,m、《e、《L、汽相压縮因子Z^液相压縮因子由物性参数计算方法计算； 8. 3)检验
o.ooo堤否成立，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8. 2)继续迭代。 所述步骤4)中，计算汽液相混合烚，其过程如下 t/; = +《r + e,.r2 + y;r3+/z;r4
(14)
H、S少'A
=//*_灯(uG) = i r (1—其中表示第i个纯组分理想气体的焓值，H*是混合物理想气体焓值，ch为常数。所述物性参数计算方法的过程如下z,附 "，m(18)h = QbRTci/Pcia(19)(20)R,,m=0.125(OC)3(21)Zci,m = 0.5(Zci+ZCm)(22)Pci ， mRTci ， mZci ， m/Vci ， m(23)Qai,m = 0.5(Qai+Qanl)(24)对汽相(25)(26)令AG = aGP/R2T2(27)BG = bGP/RT(28)a G = 2BG_1(29)(30)(31)取初值为1-0. 6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压縮因子f
ZG' + gZg2十"ZG+yG =0(32)则，vG = RT/PZG(33)…w vG+3.5615536G 《G = 0.242536 In ^-^ ^v/G-0.5615536G(34)对液相(35)(36)令
(15)
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—f r (i7)<formula>formula see original document page 24</formula>
;^=2(5丄3+5丄2)_ X^S (41)取初值为Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压縮因子
Z" + / ZL+ / =0
则，
<formula>formula see original document page 24</formula>其中，A、B、 a 、 p 、 y、 t是中间变量，C、D、e、W是常数，T。、 P。、 V。、 Z。分别是临界温度、压力、体积和压縮因子，^是对比压力，R是气体常数，ku表示第i组分和第m组分的二元交互系数，km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。
所述步骤6)中，计算汽液相有效传质系数，其过程如下I",
<formula>formula see original document page 24</formula>
饥C a; 1.97xl04 tf, 05ffl.4F +0.1T>" (51) 其中，ki,,和ki 分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，P J是汽相
密度，n^是汽相粘度，Di,kS是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，P^是
液相密度，小是开孔率，Om是混合液体的表面张力，h。w是板上清液层高，Di 是液相二元
交互系数，k是停留时间。 在所述的步骤10)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非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非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)假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；3)对每一个塔板，分别计算液相传质通量 <mrow><msub> <mi>L</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><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><msubsup> <mi>z</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>L</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><msubsup> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，L表示液相流量，F表示进料流量，S表示侧提流量，x表示液相组成，z表示进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i＝1，...，M表示组分，M表示组分数，下标j-1、j分别表示第j-1和第j块塔板；4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成 <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><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><msubsup> <mi>z</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>G</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><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msubsup> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><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，y表示汽相组成，上标G表示汽相；5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值；6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数；7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成 <mrow><msubsup> <mi>N</mi> <mi>i</mi> <mi>L</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mrow><mi>eff</mi><mo>,</mo><mi>i</mi> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mi>a</mi><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>x</mi><mi>i</mi><mi>I</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>N</mi> <mi>t</mi></msub><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn></munderover><msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mi>I</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，keff，iL表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积，xil表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量；8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成；9)判断下式(5)是否满足，如果满足则继续10)，如果不满足则更新各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回3)继续迭代 <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>L</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><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>FG</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>FL</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>L</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><mi>ϵ</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> 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<mi>L</mi></msubsup><mo><</mo><mi>ϵ</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，HFG、HFL分别表示汽液相进料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量，由下式计算Q＝UAΔT(9)其中，UA表示热耦合系数，ΔT表示耦合塔板间的温差；10)判断产品纯度和产量是否满足当前生产工况要求，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非平衡级节能控制系统，其特征在于所述 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界面组成，其过程如下 8. 1)假定塔板平衡温度；`8. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成<formula>formula see original document page 3</formula>其中，①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lA b\ bp ^、 a\ ai.m、《e、《、汽相压縮因子Z^液相压縮因子由物性模块计算；`8. 3)检验`i-2>,`O.OOOl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8. 2)继续迭代。
3.如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔非平衡级节能控制系统，其特征在于所述上位机还包括焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下<formula>formula see original document page 3</formula>其中表示第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非平衡级节能控制系统，其特征在于所述 上位机还包括物性模块，用以计算物性参数，其过程如下<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 4</formula>取初值为1-0. 6&，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压縮因子Ze<formula>formula see original document page 4</formula>(41)取初值为Pr(0. 106+0. 078P》，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子 Z/ + a丄Z丄2 +々Z丄+ ;kl = 0 (42 )贝ij ，<formula>formula see original document page 4</formula>其中，A、B、 a 、 P 、 Y、 t是中间变量，C、D、E、W是常数，T。、P。、V。、Z。分别是临界温度、 压力、体积和压縮因子，Pr是对比压力，R是气体常数，表示第i组分和第m组分的二元 交互系数，km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。
5.如权利要求1或2所述的内部热耦合精馏塔非平衡级节能控制系统，其特征在于 所述上位机还包括传质系数模块，用以计算汽液相有效传质系数，其过程如下<formula>formula see original document page 5</formula>其中，和ki 分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，P J是汽相密度， 是汽相粘度，是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，P :是液相密度，小是开孔率，Om是混合液体的表面张力，h。w是板上清液层高，Di 是液相二元交互系数，k是停留时间。
6. —种用如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔非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) 假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；3) 对每一个塔板，分别计算液相传质通量如《k,《=0其中，L表示液相流量，F表示进料流量，S表示侧提沒右1，组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i j-l、 j分别表示第j-l和第j块塔板；4) 对每一个塔板，分别计算汽相主体组成"+1+《《,+《)>^-《=0其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相5) 对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值；6) 对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数；7) 对每一个塔板，分别计算液相界面组成<formula>formula see original document page 5</formula>x表示液相组成，z表示进料 M表示组分，M表示组分数，下标(2)(3)(4)其中，表示第i个组分的液相界面组成，Nt表示总传质通量；8) 对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成；9) 判断下式(5)是否满足，如果满足则继续步骤10)，如果不满足则更新各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回步骤3)继续迭代<formula>formula see original document page 6</formula>其中，H H^分别表示汽液相进料焓值，tf和#分别是汽液相焓值，下标j_l、 j、 j+l分 别表示第j-l、j、j+l块板，e是容差，kd7是汽相有效传质系数，Q表示热耦合量，由下式计算<formula>formula see original document page 6</formula> (9)其中，UA表示热耦合系数，A T表示耦合塔板间的温差；10)判断产品纯度和产量是否满足当前生产工况要求，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8)中，由泡点法计算平衡温度和汽相界面组成的过程如下8. 1)假定塔板平衡温度；8. 2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成<formula>formula see original document page 6</formula>其中，①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lA b\ bp ^、 a\ ai.m、《e、《、汽相压縮因子Z^液相压縮因子由物性参数计算方法计算；8. 3)检验<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，返回步骤8. 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<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 7</formula>其中表示第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c下
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的过程如<formula>formula see original document page 7</formula>(18)(20)(21)<formula>formula see original document page 7</formula>对汽相令AG = aGP/R2T2 (27) BG = bGP/RT (28) a c = 2BG-1 (29)尸g =2(# +5g2)_ 取初值为1-0. 6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压縮因子ZeZG3 +"gZg2 +y ZG =0 (32测，vG = RT/PZG(33)vG+3.5615536G(25)(26)(30)(31)f =0.242536In- 「 「 b 0.5615536G对液相令AL = aLP/R2T2 (37) BL = bLP/RT (38) a l = 2BL-1 (39)/ 丄=J乙一35'—55^(34)(35)(36)(40)<formula>formula see original document page 8</formula> 取初值为Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压縮因子 + <formula>formula see original document page 8</formula>其中，A、B、 a 、 13 、 Y、 t是中间变量，C、D、E、W是常数，T。、P。、V。、Z。分别是临界温度、 压力、体积和压縮因子，^是对比压力，R是气体常数，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。
10.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6)中，计算汽液相 有效传质系数，其过程如下<formula>formula see original document page 8</formula>其中，ki,^和ki 分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，P J是汽相密度，是汽相粘度，是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，p:是液相密度，小是开孔率，Om是混合液体的表面张力，h。w是板上清液层高，Di 是液相二元交互系数，k是停留时间。
全文摘要
一种内部热耦合精馏塔非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，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；假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；分别计算每一个塔板的液相传质通量、汽相主体组成、汽液相主体的焓值、汽液相有效传质系数、液相界面组成、平衡温度和汽相界面组成；如满足判断条件则继续，否则更新各塔板；如不满足工况要求则输出结果，否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非平衡级节能控制方法。本发明在当前生产工况条件下使内部热耦合精馏塔单位能耗最小、节能性好。
文档编号G05B19/418GK101776891SQ200910155699
公开日2010年7月14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, 闫正兵 申请人:浙江大学