[发明专利]空分塔动态流程模拟系统及方法

权利要求书

1.一种空分塔动态流程模拟系统，包括与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、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；

求解计算主模块，用以求解计算，采用以下过程来完成：

1)设定塔的结构参数和操作参数，设定起始时刻tstart，终止时刻tend；

2)指定初始时刻的各塔板液相组成和液相流量，令当前迭代时间t＝tstart；

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表示塔板传出的热量；

6)计算(t+Δt)时刻的各塔板液相组成和液相流量：

dxi,jdtMj=Uj-1xi,j-1+Vj+1yi,j+1+Fjzi,j-(Uj+SjL)xi,j-(Vj+SjG)yi,j----(3)]]>

[Uj-1+Vj+1+Fj-(Uj+SjL)-(Vj+SjG)]xi,j]]>

dUjdt=518.13ρj-1/3Aa-1l2/3Uj1/3[Uj-1+Vj+1+Fj-(Uj+SjL)-(Vj+SjG)]---(4)]]>

xi,j(t+Δt)=xi,j(t)+dxi,jdtΔt---(5)]]>

Uj(t+Δt)=Uj(t)+dUjdtΔt---(6)]]>

其中，Δt是迭代步长，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，ρ是 液相密度，A_a是塔板有效面积，l是塔板堰长，下标i＝1、2、3表示组分，依次 对应氮、氩、氧，上标(t)和(t+Δt)分别表示时刻t和t+Δt，M表示塔板持液量， 由下式计算：

Mj=ρjAaj[hwj+0.00284(Ujρjlj)2/3]---(7)]]>

其中h_w是溢流堰高；

7)令t＝t+Δt，用新的各塔板液相组成和液相流量返回3)迭代，直到t≥tend， 结束迭代，输出结果；

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---(8)]]>

lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(9)]]>

Ki=ΦiL/ΦiG---(10)]]>

y_i＝K_ix_i                                               (11)

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， T是温度，P是塔板压强，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---(12)]]>

H*=ΣiyiHi*---(13)]]>

HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(14)]]>

HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(15)]]>

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---(16)]]>

b_i＝Ω_bRT_ci/P_cia                                    (17)

Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(18)]]>

Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(19)]]>

Z_ci，m＝0.5(Z_ci+Z_cm)                                (20)

P_ci，m＝RT_ci，mZ_ci，m/V_ci，m                        (21)

Ω_ai，m＝0.5(Ω_ai+Ω_am)                             (22)

对汽相：

aG=ΣiΣmyiymai,m---(23)]]>

bG=Σiyibi---(24)]]>

令

A^G＝a^GP/R²T²                                      (25)

B^G＝b^GP/RT                                        (26)

α^G＝2B^G-1                                        (27)

βG=AG-3BG-5BG2---(28)]]>

γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(29)]]>

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---(30)]]>

则，

v^G＝RT/PZ^G                                        (31)

ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(32)]]>

对液相：

aL=ΣiΣmxixmai,m---(33)]]>

bL=Σixibi---(34)]]>

令

A^L＝a^LP/R²T²                                      (35)

B^L＝b^LP/RT                                        (36)

α^L＝2B^L-1                                        (37)

βL=AL-3BL-5BL2---(38)]]>

γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(39)]]>

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---(40)]]>

则，

v^L＝RT/PZ^L                                        (41)

ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(42)]]>

Ω_ai＝C_i-D_iτ+E_iτ²-W_iτ³                         (43)

Ω_b＝0.070721                                     (44)

τ＝0.01T                                         (45)

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，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。