CN103676652B - 一种动态闪蒸器建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态闪蒸器建模方法。本发明在传统闪蒸器建模及计算的基础上，首次提出利用闪蒸器内物理体积不变原则进行动态闪蒸建模，即结合能量平衡方程、归一化方程、相平衡方程与物料平衡方程，为动态闪蒸器建模提出了一种新的方法。在计算过程中，首先假定闪蒸器内的温度压力，通过物料平衡方程、归一化方程与相平衡方程计算闪蒸器内气液含量及组成，然后通过能量平衡方程及闪蒸器体积不变原则判断假定的温度与压力是否合理。本发明不但降低了闪蒸计算的难度，还为闪蒸器建模计算开辟了一条新的途径。

Description

一种动态闪蒸器建模方法

技术领域

本发明属于化工模拟仿真技术领域，涉及一种动态闪蒸器建模方法。

背景技术

随着科学技术的进步，越来越多的化工企业在投入新的生产设备、改良旧的工艺、或对员工进行工艺培训时等，倾向于利用动态模拟仿真对其工艺进行分析学习，而闪蒸器在化学工业生产中具有广泛的应用，且国内外对动态闪蒸器建模的报道较为罕见，因此开发闪蒸器动态模型势在必行。

传统闪蒸器建模过程中，至少需要给定闪蒸器内的温度、压力、物料组成、液化分率中的三个条件，方能对闪蒸过程进行计算，而动态建模过程中，闪蒸器内的温度和压力一直是变化的，因此，运用传统的闪蒸建模方法对动态闪蒸进行建模具有一定的局限性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种动态闪蒸器建模方法。

本发明方法具体是：

步骤(1)假定压力P、温度T，建立闪蒸器内物料衡算方程，其模型表达式如下所示：

M+F·Δt＝V+L

${\mathrm{MZ}}_i^0+F\·\mathrm{\Δt}\·Z_i^{\mathrm{in}}={\mathrm{Vy}}_i+{\mathrm{Lx}}_i$

闪蒸器内气液组分之间的关系可通过归一化方程与相平衡方程进行模拟：

∑x_i＝1

∑y_i＝1

$k_i=\frac{y_i}{x_i}$

式中：M为闪蒸器内原有物料的持有量，mol；F为混合物进料量，mol/h；V为闪蒸器内闪蒸后气体的量，mol；L为闪蒸器内闪蒸后液体的量，mol；为进料中i组分组成，为闪蒸器内上一轮i组分组成，x_i为i组分液相摩尔组成；y_i为i组分气相摩尔组成；k_i为i组分气液平衡常数；Δt为闪蒸器内每轮计算所需的时间，h。

步骤(2)通过步骤(1)计算出闪蒸器内闪蒸后气体的量V、闪蒸后液体的量L、液相摩尔组成及气相摩尔组成。

步骤(3)闪蒸器在使用过程中物料之间存在着能量平衡，选用物料的焓值进行计算，其平衡方程如下所示：

|ΔH|＝|(F·Δt·H_in+MH)-(VH^v+LH^l)|

从上式可知，当|ΔH|＞ε，假定的温度偏离合理值；

当|ΔH|≤ε，假定的温度在合理的范围值之内。

根据步骤(1)、步骤(2)的计算结果可通过步骤(3)判断步骤(1)中假定的温度是否合理，若不合理，则返回步骤(1)，重新假定温度T，重复步骤(1)、步骤(2)进行迭代计算，直至迭代收敛后，进入步骤(4)。

其中，H为闪蒸器内上一轮物料的摩尔焓，H_in为进料流股的摩尔焓，H^l为闪蒸器内液相的摩尔焓，H^v为闪蒸器内气相的摩尔焓，ΔH为闪蒸前后物料的焓差。H^v、H^l分别是T、P及物料组成的函数，H^v、H^l可通过下式进行模拟：

H^v＝f(T，P，y_i)

H^l＝f(T，P，x_i)

步骤(4)由于闪蒸器的物理体积不会改变，已知闪蒸器出口液体流量、出口液体摩尔体积、出口气体流量、出口气体摩尔体积的情况下，可通过闪蒸器内物料填充状况判断假定的压力是否合适，其表达式如下式所示。

$\left|\mathrm{\ΔV}\right|=|(V-V_{\mathrm{out}}\·\mathrm{\Δt})V_m^{\mathrm{vapor}}+(L-L_{\mathrm{out}}\·\mathrm{\Δt})V_m^{\mathrm{liquid}}-V_F|$

从上式可知，当|ΔV|＞ε，闪蒸器物理体积与塔内物料体积差别较大；

当|ΔV|≤ε，闪蒸器物理体积与塔内物料体积较为接近。

根据步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)的计算结果，可通过步骤(4)判断步骤(1)中假定的压力P是否合理，若不合理则返回步骤(1)，重新假定压力P，重复步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)进行迭代计算，直至步骤(4)中的计算结果合理。

其中，V_F闪蒸器的物理体积，m³L_out闪蒸器出口液体流量，mol·s^-1；V_out闪蒸器出口液体流量，mol·s^-1；闪蒸器出口液体摩尔体积，m³·mol^-1；闪蒸器出口气体摩尔体积，m³·mol^-1；ΔV闪蒸器内物料体积与闪蒸器物理体积的差值，m³。

步骤(4)中闪蒸器内物料填充状况判断假定的压力是否合适。

本发明方法提出了一种新的动态闪蒸器建模方法，并提供了数值解法，此模型不仅能用于动态闪蒸器的建模，还为闪蒸器模型建立开辟了一条新的途径。

附图说明

图1为闪蒸器模型求解框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作出进一步说明。

本发明的目标是针对闪蒸器动态模型，提出一种新的建模及计算方法，具体是关于动态闪蒸器的模拟计算方法。闪蒸器建模过程中涉及的数学模型有物料衡算方程、归一化方程、相平衡方程、能量守恒及闪蒸器物理体积不变原则等。在计算过程中，首先假定闪蒸器内的温度压力，通过物料平衡方程、归一化方程与相平衡方程计算闪蒸器内气液含量及组成，然后通过能量平衡方程及闪蒸器体积不变原则判断假定的温度与压力是否合理。具体步骤如下所述：

步骤(1)假定压力P、温度T，建立闪蒸器内的物料衡算方程，在没有物料离开闪蒸器的情况下，进口物料与闪蒸器内原有物料混合并发生闪蒸，其物料衡算模型表达式如下所示：

M+F·Δt＝V+L

${\mathrm{MZ}}_i^0+F\·\mathrm{\Δt}\·Z_i^{\mathrm{in}}={\mathrm{Vy}}_i+{\mathrm{Lx}}_i$

闪蒸后闪蒸器内气液组分之间的关系可通过归一化方程与相平衡方程进行模拟。

归一化方程：

∑x_i＝1

∑y_i＝1

相平衡方程：

$k_i=\frac{y_i}{x_i}$

式中：M为闪蒸器内原有物料的持有量，mol；F为混合物进料量，mol/h；V为闪蒸器内闪蒸后气体的量，mol；L为闪蒸器内闪蒸后液体的量，mol；为进料中i组分组成，为闪蒸器内上一轮i组分组成，x_i为i组分液相摩尔组成；y_i为i组分气相摩尔组成；k_i为i组分气液平衡常数；Δt为闪蒸器内每轮计算所需的时间，h。

步骤(2)通过步骤(1)可计算出闪蒸器内闪蒸后气体的量V、闪蒸后液体的量L、液相摩尔组成及气相摩尔组成。

步骤(3)闪蒸器在使用过程中物料之间存在着能量平衡，本发明在建模过程中选用物料的焓值进行计算，其平衡方程如下所示：

|ΔH|＝|(F·Δt·H_in+MH)-(VH_v+LH^l)|

从上式可知，当|ΔH|＞ε，假定的温度偏离合理值；

当|ΔH|≤ε，假定的温度在合理的范围值之内。

在步骤(1)、(2)的基础上，通过步骤(3)焓值的计算判断步骤(1)中假定的温度是否合理，若结果不合理，返回步骤(1)，重新确定假定的温度T，重复步骤(1)、步骤(2)进行迭代计算，直至步骤(3)中的计算结果合理，进入步骤(4)。

其中，H为闪蒸器内上一轮物料的摩尔焓，H_in为进料流股的摩尔焓(可以是多股进料)，H^l为闪蒸器内液相的摩尔焓，H^v为闪蒸器内气相的摩尔焓，ΔH为闪蒸前后物料的焓差。由于H^v、H^l分别是T、P及物料组成的函数，因此，H^v、H^l可通过下式进行模拟：

H^v＝f(T，P，y_i)

H^l＝f(T，P，x_i)

步骤(4)由于闪蒸器的物理体积不会改变，已知闪蒸器出口液体流量、出口液体摩尔体积、出口气体流量、出口气体摩尔体积的情况下，可通过下式判断闪蒸器内物料填充状况。

$\left|\mathrm{\ΔV}\right|=|(V-V_{\mathrm{out}}\·\mathrm{\Δt})V_m^{\mathrm{vapor}}+(L-L_{\mathrm{out}}\·\mathrm{\Δt})V_m^{\mathrm{liquid}}-V_F|$

从上式可知，当|ΔV|＞ε，闪蒸器物理体积与塔内物料体积差别较大；

当|ΔV|≤ε，闪蒸器物理体积与塔内物料体积较为接近。

根据步骤(1)、(2)、(3)可确定闪蒸器内气液相组分、闪蒸后气体量、闪蒸后液体量及温度T，通过步骤(4)可以判断步骤(1)中假定的压力是否合理，若不合理，返回步骤(1)，重新假定压力P，重复步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)进行迭代计算直至步骤(4)计算结果合理，计算结束。

其中，V_F闪蒸器的物理体积，m³；L_out闪蒸器出口液体流量，mol·s^-1；V_out闪蒸器出口液体流量，mol·s^-1；闪蒸器出口液体摩尔体积，m³·mol^-1；闪蒸器出口气体摩尔体积，m³·mol^-1；ΔV闪蒸器内物料体积与闪蒸器物理体积的差值，m³。

通过步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)可计算出闪蒸器内温度、压力、闪蒸后气体的量V、闪蒸后液体的量L、液相摩尔组成及气相摩尔组成，具体求解过程如图1所示。

Claims (2)

1.一种动态闪蒸器建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)：假定压力P、温度T，建立闪蒸器内物料衡算方程，其模型表达式如下所示：

M+F·Δt＝V+L

${\mathrm{MZ}}_i^0+F\·\mathrm{\Δ}t\·Z_i^{in}={\mathrm{Vy}}_i+{\mathrm{Lx}}_i$

闪蒸器内气液组分之间的关系可通过归一化方程与相平衡方程进行模拟：

Σx_i＝1

Σy_i＝1

$k_i=\frac{y_i}{x_i}$

式中：M为闪蒸器内原有物料的持有量，mol；F为混合物进料量，mol/h；V为闪蒸器内闪蒸后气体的量，mol；L为闪蒸器内闪蒸后液体的量，mol；为进料中i组分组成，为闪蒸器内上一轮i组分组成，x_i为i组分液相摩尔组成；y_i为i组分气相摩尔组成；k_i为i组分气液平衡常数；Δt为闪蒸器内每轮计算所需的时间，h；

步骤(2)：通过步骤(1)计算出闪蒸器内闪蒸后气体的量V、闪蒸后液体的量L、液相摩尔组成及气相摩尔组成；

步骤(3)：闪蒸器在使用过程中物料之间存在着能量平衡，选用物料的焓值进行计算，其平衡方程如下所示：

|ΔH|＝|(F·Δt·H_in+MH)-(VH^v+LH^l)|

从上式可知，当|ΔH|＞ε_i假定的温度偏离合理值；

当|ΔH|≤ε_i假定的温度在合理的范围值之内；

根据步骤(1)、步骤(2)的计算结果可通过步骤(3)判断步骤(1)中假定的温度是否合理，若不合理，则返回步骤(1)，重新假定温度T，重复步骤(1)、步骤(2)进行迭代计算，直至迭代收敛后，进入步骤(4)；

其中，H为闪蒸器内上一轮物料的摩尔焓，H_in为进料流股的摩尔焓，H^l为闪蒸器内液相的摩尔焓，H^v为闪蒸器内气相的摩尔焓，ΔH为闪蒸前后物料的焓差；H^v、H^l分别是T、P及物料组成的函数，H^v、H^l可通过下式进行模拟：

H^v＝f(T，P，y_i)

H^l＝f(T，P，x_i)

步骤(4)：由于闪蒸器的物理体积不会改变，已知闪蒸器出口液体流量、出口液体摩尔体积、出口气体流量、出口气体摩尔体积的情况下，可通过下式判断闪蒸器内物料填充状况；

$\left|\mathrm{\Δ}V\right|=|(V-V_{out}\·\mathrm{\Δ}t)V_m^{vapor}+(L-L_{out}\·\mathrm{\Δ}t)V_m^{liquid}-V_F|$

从上式可知，当|ΔV|＞ε，闪蒸器物理体积与塔内物料体积差别较大；

当|ΔV|≤ε，闪蒸器物理体积与塔内物料体积较为接近；

根据步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)的计算结果，可通过步骤(4)判断步骤(1)中假定的压力P是否合理，若不合理则返回步骤(1)，重新假定压力P，重复步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)进行迭代计算，直至步骤(4)中的计算结果合理；

其中，V_F为闪蒸器的物理体积，m³；L_out为闪蒸器出口液体流量，mol·s^-1；V_out为闪蒸器出口液体流量，mol·s^-1；为闪蒸器出口液体摩尔体积，m³·mol^-1；为闪蒸器出口气体摩尔体积，m³·mol^-1；ΔV为闪蒸器内物料体积与闪蒸器物理体积的差值，m³。

2.如权利要求1所述一种动态闪蒸器建模方法，其特征在于：用步骤(4)中闪蒸器内物料填充状况判断假定的压力是否合适。