內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統及方法
2024-01-28 02:13:15
專利名稱：內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統及方法
技術領域：
本發明涉及空分領域，特別地，涉及一種內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統及方法。
背景技術：
氧氣、氮氣和氬氣的應用十分廣泛。低溫空氣分離法是當前國內外空氣分離行業應用最為廣泛的方法。在空氣分離行業中，能源成本佔了空氣產品價格的75％。在能源危機不斷加深的形勢下，提高空氣分離技術的能量效率具有重要的社會和經濟意義。
內部熱耦合精餾技術最初是至今為止的四大節能精餾技術中節能效能最高的一項節能技術，在世界範圍內得到了巨大的重視。在低溫空分過程中，空分塔是一個重要的操作單元，也是最重要的耗能單元。通過對內部熱耦合技術的研究發現該技術的實現，需要過程裝置中具有不同高低壓強的區域，而常規空分裝置本身的工藝流程就給出了這樣區域；研究表明內部熱耦合技術在高純度產品生產過程上將具有更大的經濟效益，而空分過程恰好是一個產品純度要求極高的過程；內部熱耦合精餾技術在低操作溫度情況下更加有利於發揮它的節能潛力，而常規空分裝置本身就是低溫精餾；內部熱耦合精餾技術在處理沸點接近的物系時，能體現出很高的節能效率，而空氣中氮--氬--氧三元物系又恰好滿足了這個要求，也為熱耦合技術的應用開發提高了非常有利條件。因此，內部熱耦合技術可以被應用到空分過程，改變傳統空分塔結構，達到良好的節能效果。
過程優化是生產過程設計開發的關鍵，對於提高過程經濟效益具有極為顯著的作用。它是指，在過程系統性能、特點所給定的約束條件下，找到使系統的效能指標或者目標函數達到最小(最大)的設備參數和操作條件。內部熱耦合空分塔生產潛力優化是指，在保持產品純度滿足生產要求的前提下，找到使得內部熱耦合空分塔產量最大的操作條件，降低單位產品能耗，從而達到節能降耗的目的。
發明內容
為了克服現有的空分塔內部熱耦合精餾過程的單位產品能耗較高、節能性較差的不足，本發明提供一種能在保持產品純度滿足生產要求的前提下使得內部熱耦合空分塔生產能力最大，並提高節能性的內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統及方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統，包括與內部熱耦合空分塔連接的現場智能儀表，以及控制站、資料庫以及上位機，智能儀表與控制站、資料庫和上位機連接，所述的上位機包括 優化計算模塊，用以優化計算，採用以下過程來完成 1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值； 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 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表示熱耦合係數，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； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧； 7)判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，如果滿足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ，返回2)繼續迭代。
作為優選的一種方案所述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，採用以下過程完成 yi＝Kixi(8) 其中，Φ表示逸度係數，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、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL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。
作為優選的另一種方案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 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上位機還包括物性模塊，用以計算物性參數，其過程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (28) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2 (32) BL＝bLP/RT (33) αL＝2BL-1 (34) 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ZL 則， vL＝RT/PZL (38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(40) Ωb＝0.070721(41) τ＝0.01T(42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互係數，ki，m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，Ωa、Ωb是中間變量。
進一步，所述的上位機還包括結果顯示模塊，用於將優化計算結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將優化計算結果傳遞到現場操作站進行顯示. 一種內部熱耦合空分塔生產潛力優化方法，所述的優化方法包括以下步驟 1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值； 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，計算其汽液相的焓值； 5)聯立式(1)(1)計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＝UAΔT(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3)迭代； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧； 7)判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，如果滿足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ，返回步驟2)繼續迭代。
作為優選的一種方案所述步驟3)中，泡點法計算其平衡溫度和汽相，採用以下過程完成 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計算汽液平衡常數，採用以下過程完成 yi＝Kixi(8) 其中，Φ表示逸度係數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，P是塔板壓強，下標m＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數計算方法計算； 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。
作為優選的另一種方案所述的步驟4)中，焓計算方法過程如下 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物性參數計算方法過程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (28) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2 (32) BL＝bLP/RT (33) αL＝2BL-1 (34) 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ZL 則， vL＝RT/PZL (38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(40) Ωb＝0.070721(41) τ＝0.01T(42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互係數，ki，m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，Ωa、Ωb是中間變量。
進一步，在所述的步驟7)中，上位機將優化計算結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將優化計算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對內部熱耦合空分塔進行生產潛力優化計算，指導生產，發掘裝置生產潛力，在保持產品純度滿足要求的前提下提高產量，降低單位產品能耗，從而提高生產效益。
圖1是本發明所提出的生產潛力優化系統的硬體結構圖。
圖2是本發明所述內部熱耦合空分塔結構示意圖。
圖3是本發明上位機的功能模塊圖。
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3，一種內部熱耦合空分塔節能潛力優化系統，包括與內部熱耦合空分塔1連接的現場智能儀表2、數據接口3、控制站4、資料庫5以及上位機6，智能儀表2和現場總線連接，所述現場總線與數據接口3連接，所述數據接口3分別與控制站4、資料庫5和上位機6連接，所述的上位機6包括 優化計算模塊7，用以優化計算，採用以下過程來完成 1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值； 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 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表示熱耦合係數，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； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧； 7)判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，如果滿足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ，返回2)繼續迭代。
所述上位機6還包括泡點法模塊8，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，採用以下過程完成 yi＝Kixi(8) 其中，Φ表示逸度係數，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、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL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9，用於計算汽液相混合焓，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； 所述上位機6還包括物性模塊10，計算物性參數，其過程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (28) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2 (32) BL＝bLP/RT (33) αL＝2BL-1 (34) 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ZL 則， vL＝RT/PZL (38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(40) Ωb＝0.070721(41) τ＝0.01T(42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互係數，ki，m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，Ωa、Ωb是中間變量. 所述的上位機還包括結果顯示模塊11，用於將優化計算結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將優化計算結果傳遞到現場操作站進行顯示。
本實施例的內部熱耦合空分塔節能潛力優化系統的硬體結構圖如附圖1所示，所述的優化系統核心由包括優化計算模塊7、泡點法模塊8、焓模塊9、物性模塊10、結果顯示模塊11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、資料庫5和現場總線。內部熱耦合空分塔1、智能儀表2、數據接口3、控制站4、資料庫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。優化系統在上位機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模塊圖如附圖3所示，主要包括優化計算模塊7、泡點法模塊8、焓模塊9、物性模塊10、結果顯示模塊11等。
所述的生產潛力優化方法按照如下步驟進行實施 1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值； 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，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 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＝UAΔT(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； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧； 7)判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，如果滿足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ，返回步驟2)繼續迭代。
實施例2 參照圖1、圖2、圖3，一種內部熱耦合空分塔生產潛力優化方法，所述的生產潛力優化方法包括以下步驟 1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值； 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，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 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＝UAΔT(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； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧； 7)判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，如果滿足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ，返回步驟2)繼續迭代。
泡點法計算其平衡溫度和汽相，採用以下過程完成 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計算汽液平衡常數，採用以下過程完成 yi＝Kixi(8) 其中，Φ表示逸度係數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，P是塔板壓強，下標m＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數計算方法計算； 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。
所述的步驟4)中，焓計算方法過程如下 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。
所述的物性參數計算方法過程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (28) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2 (32) BL＝bLP/RT (33) αL＝2BL-1 (34) 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ZL 則， vL＝RT/PZL (38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(40) Ωb＝0.070721(41) τ＝0.01T(42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互係數，ki，m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，Ωa、Ωb是中間變量。
在所述的步驟7)中，上位機將優化計算結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將優化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空分塔生產潛力優化系統及方法，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、精神和範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、範圍和內容中。
權利要求
1.一種內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統，包括與內部熱耦合空分塔連接的現場智能儀表，以及控制站、資料庫以及上位機，智能儀表與控制站、資料庫和上位機連接，其特徵在於所述的上位機包括
優化計算模塊，用以優化計算，採用以下過程來完成
1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值；
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
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表示熱耦合係數，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；
其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧；
7)判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，如果滿足則將空氣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所述的內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統，其特徵在於所述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；
32)計算汽液平衡常數，採用以下過程完成
yi＝Kixi(8)
其中，Φ表示逸度係數，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、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL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。
3.如權利要求1或2所述的內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統，其特徵在於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
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所述的內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統，其特徵在於所述上位機還包括物性模塊，用以計算物性參數，其過程如下
bi＝ΩbRTci/Pcia (14)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm) (17)
Pci,m＝RTci,mZci，m/Vci，m (18)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19)
對汽相
令
AG＝aGP/R2T2 (22)
BG＝bGP/RT (23)
αG＝2BG-1 (24)
取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG
則，
vG＝RT/PZG(28)
對液相
令
AL＝aLP/R2T2 (32)
BL＝bLP/RT(33)
αL＝2BL-1(34)
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ZL
則，
vL＝RT/PZL (38)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (40)
Ωb＝0.070721 (41)
τ＝0.01T (42)
其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互係數，ki，m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，Ωa、Ωb是中間變量。
5.如權利要求1所述的內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統，其特徵在於所述的上位機還包括
結果顯示模塊，用於將優化計算結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將優化計算結果傳遞到現場操作站進行顯示.
6.一種用如權利要求1所述的內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統實現的生產潛力優化方法，其特徵在於所述的優化方法包括以下步驟
1)設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值；
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，計算其汽液相的焓值；
5)聯立式(1)(1)計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＝UAΔT (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3)迭代；
其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧；
7)判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，如果滿足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ，返回步驟2)繼續迭代。
7.如權利要求6所述的生產潛力優化方法，其特徵在於所述步驟3)中，泡點法計算其平衡溫度和汽相，採用以下過程完成
3.1)假定塔板平衡溫度；
3.2)計算汽液平衡常數，採用以下過程完成
yi＝Kixi(8)
其中，Φ表示逸度係數，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數，P是塔板壓強，下標m＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數計算方法計算；
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。
8.如權利要求6或7所述的生產潛力優化方法，其特徵在於所述的步驟4)中，焓計算方法過程如下
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所述的生產潛力優化方法，其特徵在於所述的物性參數計算方法過程如下
bi＝ΩbRTci/Pcia (14)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm) (17)
Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m (18)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19)
對汽相
令
AG＝aGP/R2T2 (22)
BG＝bGP/RT (23)
aG＝2BG-1(24)
取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG
則，
vG＝RT/PZG (28)
對液相
令
AL＝aLP/R2T2 (32)
BL＝bLP/RT (33)
αL＝2BL-1 (34)
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ZL
則，
vL＝RT/PZL(38)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (40)
Ωb＝0.070721 (41)
τ＝0.01T (42)
其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數，Tc、Pc、Vc、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，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互係數，ki，m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，Ωa、Ωb是中間變量。
10.如權利要求6或7所述的生產潛力優化方法，其特徵在於在所述的步驟7)中，上位機將優化計算結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將優化計算結果傳遞到現場操作站進行顯示。
全文摘要
一種內部熱耦合空分塔生產潛力優化系統，包括與內部熱耦合空分塔連接的現場智能儀表，以及控制站、資料庫以及上位機，上位機包括優化計算模塊，過程設定塔的結構參數和操作參數，指定進料空氣流量初值；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、各塔板的汽液相流量；判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續，否則，更新各塔板液相組成；判斷產品氮氣、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結束迭代，輸出結果，如果滿足則將空氣進料流量增加一個迭代步長Δ。以及提出了一種生產潛力優化方法。本發明獲取使內部熱耦合空分塔產品純度滿足生產要求且生產能力最大的最優生產工況，並提高節能性。
文檔編號G05B19/418GK101776896SQ200910157178
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者劉興高, 閆正兵 申請人:浙江大學