空分塔非平衡級節能控制系統及方法

2023-06-21 21:49:16

專利名稱：空分塔非平衡級節能控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及空分領域，特別地，涉及一種空分塔非平衡級節能控制系統及方法。

背景技術：
氧氣、氮氣和氬氣的應用十分廣泛。氧氣可用於鋼鐵製造、化工工藝、金屬加工、玻璃製造、石油回收和精煉、造紙、保健服務、航天國防等。氮氣在冶金工業、石油回收和精煉、金屬生產和加工、電子工業、化學工業中廣泛地用於保護氣體。氬氣在飛機製造、造船、原子能工業和機械工業部門用作保護氣，同時在電子、照明行業也有非常重要的應用。低溫空氣分離法是利用空氣中氧、氮、氬等組分沸點的不同，使用精餾的方法分離低溫液態空氣而得到高純度的氧、氮、氬產品。它是當前國內外空氣分離行業應用最為廣泛的方法。在空氣分離工業中，能源成本佔了空氣產品價格的75％。因此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。
非平衡級模型，又稱速率模型，是建立在傳質和傳熱速率方程上的多元分離過程模型。非平衡級模型拋棄了平衡級假設，而保留了全混級假設，不需要進行效率計算，按實際塔板計算，可以得到更加精確的組分、效率和溫度等分布。空分塔非平衡級節能控制是指基於空分塔非平衡級模型，在滿足產品純度要求的前提下，不斷計算並改變空分塔的進料流量，使得空分過程始終運行在產量最大即單位能耗最小的狀態。


發明內容
為了克服現有的空分工業過程的單位能耗較大、節能性較差的不足，本發明提供一種在當前生產工況條件下使得空分塔非平衡級節能控制空分塔單位能耗最小，並提高節能性的空分塔非平衡級節能控制系統及方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種空分塔非平衡級節能控制系統，包括與空分塔連接的現場智能儀表、以及控制站、資料庫和上位機，智能儀表與控制站、資料庫、上位機連接，所述的上位機包括 信號採集模塊，用以採集當前生產工況數據； 節能控制模塊，用以節能控制，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)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度； 3)對每一個塔板，分別計算液相傳質通量 其中，L表示液相流量，F表示進料流量，S表示側提流量，x表示液相組成，z表示進料組成，N表示傳質通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板； 4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成 其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相(並對公式2做了修訂，請核對)； 5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值； 6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質係數； 7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成 其中，keff，iL表示第i個組分液相有效傳質係數，a表示傳質面積，xiI表示第i個組分的液相界面組成，Nt表示總傳質通量； 8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成； 9)判斷下式(5)是否滿足，如果滿足則繼續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3)繼續迭代 其中，HFG、HFL分別表示汽液相進料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效傳質係數，Q表示塔板傳出的熱量； 10)判斷產品氮氣、氧氣的純度和產量是否滿足當前生產工況要求，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界面組成，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，採用以下過程完成 yi＝Kixi(12) 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； 8.3)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8.2)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(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1 (28) 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 (32) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 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 (42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44) Ωb＝0.070721(45) τ＝0.01T(46) 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。
作為優選的再另一種方案所述上位機還包括傳質係數模塊，用以計算汽液相有效傳質係數，其過程如下 其中，ki，kG和ki，kL分別是汽液相傳質係數，uh是篩孔氣速，db是孔徑，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互係數，Fa是動能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是開孔率，σm是混合液體的表面張力，hOW是板上清液層高，Di，kL是液相二元交互係數，tL是停留時間。
進一步，所述的上位機還包括結果顯示模塊，用於將節能控制結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將節能控制結果傳遞到現場操作站進行顯示。
一種空分塔非平衡級節能控制方法，所述的節能控制方法包括以下步驟 1)設定塔的結構參數，採集塔的生產工況數據，採集當前進料空氣流量作為初值； 2)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度； 3)對每一個塔板，分別計算液相傳質通量 其中，L表示液相流量，F表示進料流量，S表示側提流量，x表示液相組成，z表示進料組成，N表示傳質通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板； 4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成 其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相； 5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值； 6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質係數； 7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成 其中，xiI表示第i個組分的液相界面組成，Nt表示總傳質通量； 8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成 9)判斷下式是否滿足，如果滿足則繼續步驟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，返回步驟3)繼續迭代 其中，HFG、HFL分別表示汽液相進料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效傳質係數，Q表示塔板傳出的熱量； 10)判斷產品氮氣、氧氣的純度和產量是否滿足當前生產工況要求，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8)中，泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成，採用以下過程完成 8.1)假定塔板平衡溫度； 8.2)計算汽液平衡常數，採用以下過程完成 yi＝Kixi(12) 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由物性參數計算方法計算； 8.3)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8.2)繼續迭代。
作為優選的另一種方案所述步驟5)中，計算汽液相主體的焓值的過程如下 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方法包括如下步驟 bi＝ΩbRTci/Pcia(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1(28) 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(32) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2 (36) BL＝bLP/RT(37) αL＝2BL-1(38) 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(42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (44) Ωb＝0.070721(45) τ＝0.01T(46) 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。
作為優選的再另一種方案所述步驟6)中，計算汽液相有效傳質係數的過程如下 其中，ki，kG和ki，kL分別是汽液相傳質係數，uh是篩孔氣速，db是孔徑，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互係數，Fa是動能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是開孔率，σm是混合液體的表面張力，hOW是板上清液層高，Di，kL是液相二元交互係數，tL是停留時間。
進一步，在所述的步驟10)中，上位機將節能控制結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將節能控制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空分塔進行非平衡級節能控制，可以用於指導生產，在滿足當前生產工況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是本發明所提出的非平衡級節能控制系統的硬體結構圖。
圖2是本發明所述空分塔結構示意圖。
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3，一種空分塔非平衡級節能控制系統，包括空分塔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與現場總線連接，所述現場總線與數據接口3連接，數據接口3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 信號採集模塊7，用以採集當前生產工況數據； 節能控制模塊8，用以節能控制，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)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度； 3)對每一個塔板，分別計算液相傳質通量 其中，L表示液相流量，F表示進料流量，S表示側提流量，x表示液相組成，z表示進料組成，N表示傳質通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板； 4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成 其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相； 5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值； 6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質係數； 7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成 其中，keff，iL表示第i個組分液相有效傳質係數，a表示傳質面積，xiI表示第i個組分的液相界面組成，Nt表示總傳質通量； 8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其汽相界面組成； 9)判斷下式(5)是否滿足，如果滿足則繼續(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3)繼續迭代 其中，HFG、HFL分別表示汽液相進料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效傳質係數，Q表示塔板傳出的熱量； 10)判斷產品氮氣、氧氣的純度和產量是否滿足當前生產工況要求，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9，用以由泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成，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，採用以下過程完成 yi＝Kixi(12) 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； 8.3)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8.2)繼續迭代。
所述上位機6還包括焓模塊10，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。
所述上位機6還包括物性模塊11，用以計算物性參數，其過程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1 (28) 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 (32) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 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(42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (44) Ωb＝0.070721 (45) τ＝0.01T (46) 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。
所述上位機6還包括傳質係數模塊12，用以計算汽液相有效傳質係數，其過程如下 其中，ki，kG和ki，kL分別是汽液相傳質係數，uh是篩孔氣速，db是孔徑，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互係數，Fa是動能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是開孔率，σm是混合液體的表面張力，hOW是板上清液層高，Di，kL是液相二元交互係數，tL是停留時間。
所述的上位機6還包括結果顯示模塊，用於將節能控制結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將節能控制結果傳遞到現場操作站進行顯示。
本實施例的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信號採集模塊7、節能控制模塊8、泡點法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、傳質係數模塊12、結果顯示模塊13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。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。節能控制系統在上位機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，主要包括信號採集模塊7、節能控制模塊8、泡點法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、傳質係數模塊12、結果顯示模塊13等。
所述的非平衡級節能控制方法按照如下步驟進行實施 1)設定塔的結構參數，採集塔的生產工況數據，採集當前進料空氣流量作為初值； 2)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度； 3)對每一個塔板，分別計算液相傳質通量 其中，L表示液相流量，F表示進料流量，S表示側提流量，x表示液相組成，z表示進料組成，N表示傳質通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板； 4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成 其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相； 5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值； 6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質係數； 7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成 其中，xiI表示第i個組分的液相界面組成，Nt表示總傳質通量； 8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成； 9)判斷下式是否滿足，如果滿足則繼續步驟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，返回步驟3)繼續迭代 其中，HFG、HFL分別表示汽液相進料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效傳質係數，Q表示塔板傳出的熱量； 10)判斷產品氮氣、氧氣的純度和產量是否滿足當前生產工況要求，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3，一種空分塔非平衡級節能控制方法，所述的非平衡級節能控制方法包括以下步驟 1)設定塔的結構參數，採集塔的生產工況數據，採集當前進料空氣流量作為初值； 2)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度； 3)對每一個塔板，分別計算液相傳質通量 其中，L表示液相流量，F表示進料流量，S表示側提流量，x表示液相組成，z表示進料組成，N表示傳質通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板； 4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成 其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相； 5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值； 6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質係數； 7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成 其中，xiI表示第i個組分的液相界面組成，Nt表示總傳質通量； 8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其汽相界面組成； 9)判斷下式是否滿足，如果滿足則繼續步驟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，返回步驟3)繼續迭代 其中，HFG、HFL分別表示汽液相進料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效傳質係數，Q表示塔板傳出的熱量； 10)判斷產品氮氣、氧氣的純度和產量是否滿足當前生產工況要求，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。
所述步驟8)中，泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成，採用以下過程完成 8.1)假定塔板平衡溫度； 8.2)計算汽液平衡常數，採用以下過程完成 yi＝Kixi(12) 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由物性參數計算方法計算； 8.3)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8.2)繼續迭代。
所述步驟5)中，計算汽液相主體的焓值的過程如下 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。
所述的物性方法包括如下步驟 bi＝ΩbRTci/Pcia(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 對汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1 (28) 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(32) 對液相 令 AL＝aLP/R2T2 (36) BL＝bLP/RT(37) αL＝2BL-1(38) 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(42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (44) Ωb＝0.070721 (45) τ＝0.01T (46) 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。
所述步驟6)中，計算汽液相有效傳質係數的過程如下 其中，ki，kG和ki，kL分別是汽液相傳質係數，uh是篩孔氣速，db是孔徑，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互係數，Fa是動能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是開孔率，σm是混合液體的表面張力，hOW是板上清液層高，Di，kL是液相二元交互係數，tL是停留時間。
在所述的步驟10)中，上位機將節能控制結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將計算結果傳遞到現場操作站進行顯示。
本發明所提出的空分塔非平衡級節能控制系統及方法，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
1.一種空分塔非平衡級節能控制系統，包括與空分塔連接的現場智能儀表、以及控制站、資料庫和上位機，智能儀表與控制站、資料庫、上位機連接，其特徵在於所述的上位機包括
信號採集模塊，用以採集當前生產工況數據；
節能控制模塊，用以節能控制，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)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度；
3)對每一個塔板，分別計算液相傳質通量
其中，L表示液相流量，F表示進料流量，S表示側提流量，x表示液相組成，z表示進料組成，N表示傳質通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板；
4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成
其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相；
5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值；
6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質係數；
7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成
其中，keff，iL表示第i個組分液相有效傳質係數，a表示傳質面積，xiI表示第i個組分的液相界面組成，Nt表示總傳質通量；
8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成；
9)判斷下式(5)是否滿足，如果滿足則繼續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3)繼續迭代
其中，HFG、HFL分別表示汽液相進料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效傳質係數，Q表示塔板傳出的熱量；
10)判斷產品氮氣、氧氣的純度和產量是否滿足當前生產工況要求，如果不滿足則結束迭代，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，輸出結果；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所述的空分塔非平衡級節能控制系統，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界面組成，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，採用以下過程完成
yi＝Kixi(12)
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；
8.3)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8.2)繼續迭代。
3.如權利要求1或2所述的空分塔非平衡級節能控制系統，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所述的空分塔非平衡級節能控制系統，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 (18)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm) (21)
Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m (22)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(23)
對汽相
令
AG＝aGP/R2T2 (26)
BG＝bGP/RT (27)
αG＝2BG-1 (28)
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 (32)
對液相
令
AL＝aLP/R2T2 (36)
BL＝bLP/RT (37)
αL＝2BL-1 (38)
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 (42)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (44)
Ωb＝0.070721 (45)
τ＝0.01T (46)
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或2所述的空分塔非平衡級節能控制系統，其特徵在於所述上位機還包括傳質係數模塊，用以計算汽液相有效傳質係數，其過程如下
其中，ki，kG和ki，kL分別是汽液相傳質係數，uh是篩孔氣速，db是孔徑，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互係數，Fa是動能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是開孔率，σm是混合液體的表面張力，hOW是板上清液層高，Di，kL是液相二元交互係數，tL是停留時間。
6.一種用如權利要求1所述的空分塔非平衡級節能控制系統實現的節能控制方法，其特徵在於所述的節能控制方法包括以下步驟
1)設定塔的結構參數，採集塔的生產工況數據，採集當前進料空氣流量作為初值；
2)假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度；
3)對每一個塔板，分別計算液相傳質通量
其中，L表示液相流量，F表示進料流量，S表示側提流量，x表示液相組成，z表示進料組成，N表示傳質通量，上標L表示液相，下標i＝1、2、3表示組分，依次對應氮、氬、氧，下標j-1、j分別表示第j-1和第j塊塔板；
4)對每一個塔板，分別計算汽相主體組成
其中V表示汽相流量，y表示汽相組成，上標G表示汽相；
5)對每一個塔板，分別計算其汽液相主體的焓值；
6)對每一個塔板，分別計算汽液相有效傳質係數；
7)對每一個塔板，分別計算液相界面組成
其中，xiI表示第i個組分的液相界面組成，Nt表示總傳質通量；
8)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成
9)判斷下式是否滿足，如果滿足則繼續步驟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，返回步驟3)繼續迭代
其中，HFG、HFL分別表示汽液相進料焓值，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，ε是容差，keff，iG是汽相有效傳質係數，Q表示塔板傳出的熱量；
10)判斷產品氮氣、氧氣的純度和產量是否滿足當前生產工況要求，如果不滿足則結束迭代，前一步的進料空氣流量即為最大空氣進料量，輸出結果；同時上位機將節能控制結果傳給控制站進行顯示，並通過現場總線將節能控制結果傳遞到現場操作站進行顯示。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所述的節能控制方法，其特徵在於所述步驟8)中，泡點法計算其平衡溫度和汽相界面組成，採用以下過程完成
8.1)假定塔板平衡溫度；
8.2)計算汽液平衡常數，採用以下過程完成
yi＝Kixi(12)
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由物性參數計算方法計算；
8.3)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8.2)繼續迭代。
8.如權利要求6或7所述的節能控制方法，其特徵在於所述步驟5)中，計算汽液相主體的焓值的過程如下
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所述的節能控制方法，其特徵在於所述的物性方法包括如下步驟
bi＝ΩbRTci/Pcia(18)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21)
Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23)
對汽相
令
AG＝aGP/R2T2(26)
BG＝bGP/RT (27)
αG＝2BG-1 (28)
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 (32)
對液相
令
AL＝aLP/R2T2 (36)
BL＝bLP/RT (37)
αL＝2BL-1 (38)
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 (42)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (44)
Ωb＝0.070721 (45)
τ＝0.01T (46)
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所述的節能控制方法，其特徵在於所述步驟6)中，計算汽液相有效傳質係數的過程如下
其中，ki，kG和ki，kL分別是汽液相傳質係數，uh是篩孔氣速，db是孔徑，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互係數，Fa是動能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是開孔率，σm是混合液體的表面張力，hOW是板上清液層高，Di，kL是液相二元交互係數，tL是停留時間。
全文摘要
一種空分塔非平衡級節能控制系統，包括與空分塔連接的現場智能儀表、以及控制站、資料庫和上位機，上位機包括信號採集模塊，節能控制模塊，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；假定各塔板液相主體組成、汽液相流量、塔板溫度；計算液相傳質通量、汽相主體組成、汽液相主體的焓值、汽液相有效傳質係數、液相界面組成、平衡溫度和汽相界面組成；如滿足判斷條件則繼續，否則更新各塔板參數；如純度和產量不滿足當前生產工況要求則結束迭代，輸出結果，否則將空氣進料流量增加一個迭代步長。以及提出了一種空分塔非平衡級節能控制方法。本發明在當前生產工況條件下使得空分塔單位能耗最小，並提高節能性。
文檔編號G05B19/418GK101776900SQ20091015718
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 申請人:浙江大學