[发明专利]内部热耦合空分塔节能潜力优化系统及方法

权利要求书

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：

Vj+1Hj+1G+Uj-1Hj-1L+FjHjF-(Vj+SjG)HjG-(Uj+SjL)HjL-Qj=0---(1)]]>

Vj+1+Uj-1+FjG+FjL-(Vj+SjG)-(Uj+SjL)=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；

Vj+1yi,j+1+Uj-1xi,j-1+Fjzi,j-(Vj+SjG)yi,j-(Uj+SjL)xi,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；

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：

lnΦiL=lnRTP(vL-bL)-bibL(1-ZL)+ξLaL(bibL-2Σmxmai,maL)/bLRT---(6)]]>

lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(7)]]>

Ki=ΦiL/ΦiG---(8)]]>

y_i＝K_ix_i                            (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b^G、b^L、b_i、a^G、a^L、a_i，m、ξ^G、ξ^L、汽相压缩因子Z^G、 液相压缩因子Z^L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；

所述上位机还包括：焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下：

Hi*=ci+diT+eiT2+fiT3+hiT4---(10)]]>

H*=ΣiyiHi*---(11)]]>

HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(12)]]>

HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(13)]]>

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；

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：

ai,m=Ωai,mR2Tci,m2/Pci,m---(14)]]>

b_i＝Ω_bRT_ci/P_cia                   (15)

Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(16)]]>

Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(17)]]>

Z_ci，m＝0.5(Z_ci+Z_cm)               (18)

P_ci，m＝RT_ci，mZ_ci，m/V_ci，m       (19)

Ω_ai，m＝0.5(Ω_ai+Ω_am)            (20)

对汽相：

aG=ΣiΣmyiymai,m---(21)]]>

bG=Σiyibi---(22)]]>

令

A^G＝a^GP/R²T²                       (23)

B^G＝b^GP/RT                         (24)

α^G＝2B^G-1                         (25)

βG=AG-3BG-5BG2---(26)]]>

γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(27)]]>

取初值为1-0.6P_r，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子Z^G

ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(28)]]>

则，

v^G＝RT/PZ^G                        (29)

ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(30)]]>

对液相：

aL=ΣiΣmxixmai,m---(31)]]>

bL=Σiyibi---(32)]]>

令

A^L＝a^LP/R²T²                      (33)

B^L＝b^LP/RT                        (34)

α^L＝2B^L-1                        (35)

βL=AL-3BL-5BL2---(36)]]>

γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(37)]]>

取初值为P_r(0.106+0.078P_r)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子Z^L

ZL3+αLZL2+βZL+γL=0---(38)]]>

则，

v^L＝RT/PZ^L                        (39)

ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(40)]]>

Ω_ai＝C_i-D_iτ+E_iτ²-W_iτ³         (41)

Ω_b＝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，T_c、P_c、 V_c、Z_c分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，P_r是对比压力，R是气体常数，k_i，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，k_i，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，Ω_a、Ω_b是中间变量。