内部热耦合空分塔节能潜力优化系统及方法技术方案

一种内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，包括与内部热耦合空分塔连接的现场智能仪表，以及控制站、数据库和上位机，上位机包括优化计算模块，过程：设定塔的结构参数，指定优化变量初值，令迭代步数ｋ＝０；假定各塔板液相组成，分别计算其平衡温度和汽相组成、汽液相的焓值、汽液相流量；判断下式（４）是否成立，如果成立，则继续，否则，更新各塔板液相组成；计算第ｋ步的目标函数值ｆ（ｋ）；如果ｋ≠０且｜（ｆ（ｋ）－ｆ（ｋ－１））／ｆ（ｋ－１）｜＜ε则结束迭代，输出结果，否则，迭代步数ｋ增加１，并更新优化变量，其中ｆ（ｋ－１）表示第ｋ－１（ｋ≠０）的目标函数值，ε是容差。还提出一种内部热耦合空分塔节能潜力优化方法。本发明专利技术获取使内部热耦合空分塔满足产品纯度和产量要求且能耗最小的最优节能工况，并有效提高能量效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空分领域，特别地，涉及一种。
技术介绍
内部热耦合精馏技术最初是至今为止的四大节能精馏技术中节能效能最高的一项节能技术，在世界范围内得到了巨大的重视。 在低温空分过程中，空分塔是一个重要的操作单元，也是最重要的耗能单元。通过对内部热耦合技术的研究发现(1)该技术的实现，需要过程装置中具有不同高低压强的区域，而空分装置本身的化工工艺流程就给出了这样区域，不需要像其他过程装置需要人为制造出不同高低压强的区域。(2)研究表明内部热耦合技术在高纯度产品生产过程上将具有更大的经济效益，而空分过程恰好是一个产品纯度要求极高的过程。(3)内部热耦合精馏技术在低操作温度情况下更加有利于发挥它的节能潜力，而本身就是低温精馏的空分装置较之其他精馏过程，无疑具有这个优势。(4)内部热耦合精馏技术在处理沸点接近的物系时，能体现出很高的节能效率，而空气中氮--氩--氧三元物系又恰好满足了这个要求，也为热耦合技术的应用开发提高了非常有利条件。因此，内部热耦合技术可以被应用到空气分离过程，改变传统空分塔结构，达到良好的节能效果。 过程优化是生产过程设计开发的关键，对于提高过程经济效益具有极为显著的作用。它是指，在过程系统性能、特点所给定的约束条件下，找到使系统的效能指标或者目标函数达到最小(最大)的设备参数和操作条件。内部热耦合空分塔节能潜力优化是指，在保持产品纯度和产量满足生产要求的前提下，找到使得空分塔能耗最小的操作条件，从而达到节能降耗的目的。
技术实现思路
为了克服现有的空气塔内部热耦合精馏过程的能耗大、能量效率较低的不足，本专利技术提供一种能在保持产品纯度和产量满足生产要求的前提下使得内部热耦合空分塔能耗最小，并有效提高能量效率的。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 一种内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，包括与内部热耦合空分塔连接的现场智能仪表，以及控制站、数据库和上位机，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 优化计算模块，用以优化计算，采用以下过程来完成 1)设定塔的结构参数，指定优化变量初值，令迭代步数k＝0； 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 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； 其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧； 7)计算第k步的目标函数值f(k) f(k)＝FHF (5) 8)如果k≠0且|(f(k)-f(k-1))/f(k-1)|＜ε则结束迭代，输出结果，否则，迭代步数k增加1，并更新优化变量，返回2)迭代，其中f(k-1)表示第k-1(k≠0)的目标函数值，ε是容差。 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 yi＝Kixi(9) 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，P是塔板压强，T是温度，下标m＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，摩尔体积v、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL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。 作为优选的另一种方案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 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。 作为优选的另一种方案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 bi＝ΩbRTci/Pcia(15) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(18) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(19) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (20) 对汽相 令 AG＝aGP/R2T2(23) BG＝bGP/RT (24) αG＝2BG-1 (25) 取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG 则， vG＝RT/PZG (29) 对液相 令 AL＝aLP/R2T2 (33) BL＝bLP/RT (34) αL＝2BL-1 (35) 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ZL 则， vL＝RT/PZL (39) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(41) Ωb＝0.070721(42) τ＝0.01T(43) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，m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，Ωa、Ωb是中间变量。 进一步，所述的上位机还包括结果显示模块，用于将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示。 再进一步，所述的优化变量包括进料空气流量、进料空气温度、下塔压强、污气氮流量、膨胀空气流量和氧气流量。 一种内部热耦合空分塔节能潜力优化方法，所述的优化方法包括以下步骤 1)设定塔的结构参数，指定优化变量初值，令迭代步数k＝0； 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 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，则继续步骤7)，否则，更新各塔板液相组成，返回3)迭代； 其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1、2、3表示组分，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，包括与内部热耦合空分塔连接的现场智能仪表，以及控制站、数据库和上位机，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：优化计算模块，用以优化计算，采用以下过程来完成：１）设定塔的结构参数，指定优化变量初值，令迭代步数ｋ＝０；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：Ｖ↓［ｊ＋１］Ｈ↓［ｊ＋１］↑［Ｇ］＋Ｕ↓［ｊ－１］Ｈ↓［ｊ－１］↑［Ｌ］＋Ｆ↓［ｊ］Ｈ↓［ｊ］↑［Ｆ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｇ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｌ］－Ｑ↓［ｊ］＝０（１）Ｖ↓［ｊ＋１］＋Ｕ↓［ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｇ］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｌ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）＝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，Ｈ↑［Ｆ］表示进料焓值，Ｓ表示侧提流量，Ｈ↑［Ｇ］和Ｈ↑［Ｌ］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；Ｖ↓［ｊ＋１］ｙ↓［ｉ，ｊ＋１］＋Ｕ↓［ｊ－１］ｘ↓［ｉ，ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］ｚ↓［ｉ，ｊ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）ｙ↓［ｉ，ｊ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）ｘ↓［ｉ，ｊ］＜０．０００１（４）其中，ｘ是液相组成，ｙ是汽相组成，ｚ是进料组成，下标ｉ＝１、２、３表示组分，依次对应氮、氩、氧；７）计算第ｋ步的目标函数值ｆ（ｋ）：ｆ（ｋ）＝ＦＨ↑［Ｆ］（５）８）如果ｋ≠０且｜（ｆ（ｋ）－ｆ（ｋ－１））／ｆ（ｋ－１）｜＜ε则结束迭代，输出结果，否则，迭代步数ｋ增加１，并更新优化变量，返回２）迭代，其中ｆ（ｋ－１）表示第ｋ－１（ｋ≠０）的目标函数值，ε是容差。...

【技术特征摘要】
1.一种内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，包括与内部热耦合空分塔连接的现场智能仪表，以及控制站、数据库和上位机，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优化计算模块，用以优化计算，采用以下过程来完成1)设定塔的结构参数，指定优化变量初值，令迭代步数k＝0；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；其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧；7)计算第k步的目标函数值f(k)f(k)＝FHF (5)8)如果k≠0且|(f(k)-f(k-1))/f(k-1)|＜ε则结束迭代，输出结果，否则，迭代步数k增加1，并更新优化变量，返回2)迭代，其中f(k-1)表示第k-1(k≠0)的目标函数值，ε是容差。2.如权利要求1所述的内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，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yi＝Kixi(9)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，P是塔板压强，T是温度，下标m＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，摩尔体积v、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL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。3.如权利要求1或2所述的内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，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所述的内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，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bi＝ΩbRTci/Pcia(15)Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(18)Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(19)Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (20)对汽相令AG＝aGP/R2T2(23)BG＝bGP/RT (24)αG＝2BG-1 (25)取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG则，vG＝RT/PZG(29)对液相令AL＝aLP/R2T2 (33)BL＝bLP/RT(34)αL＝2BL-1(35)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ZL则，vL＝RT/PZL(39)Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (41)Ωb＝0.070721 (42)τ＝0.01T (43)其中，A、B、α、β、γ、τ是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，m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，Ωa、Ωb是中间变量。5.如权利要求1或2所述的内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，其特征在于所述的上位机还包括结果显示模块，用于将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示；所述的优...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，闫正兵，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]