CN107694139B - 一种板式精馏塔性能系数在线分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板式精馏塔性能系数在线分析方法：步骤1、设采样周期为T、性能系数计算的递推周期为nT；步骤2、初始化数组Q[n]和数值P；步骤3、按照采样周期T对板式精馏塔相关运行参数进行采集；步骤4、根据建立的板式精馏塔性能系数稳态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'和性能系数η'，更新数组Q[n]；步骤5、读取数组Q[n]中的数据，计算当前时刻往前(n‑1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n‑1占当前时刻及当前时刻往前(n‑1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n的百分比L'；步骤6、根据建立的板式精馏塔性能系数动态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数η_ave，更新数值P的值为η_ave。

Description

一种板式精馏塔性能系数在线分析方法

技术领域

本发明涉及一种板式精馏塔性能系数在线分析方法。

背景技术

精馏是化工生产和石油生产过程中最为成熟、应用最为广泛的分离技术，被用于95％左右的液体分离过程中，其能耗高达全世界能耗的3％以上，随着设备服役年限的增加，其运行性能系数往往达不到设计值，而且由于现场计量仪表和监控系统的缺失，经济性试验耗费大量的人力物力，因此长期以来板式精馏塔的运行经济性一直缺乏有效评价。

精馏塔是利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使汽液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发的组分(轻组分)不断从液相往气相转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离。在精馏传热的过程中，气相放热将高沸点组分冷凝成液体，液相吸热将低沸点组分挥发成气相，从而使液相中高沸点组分浓度增加，气相中低沸点组分浓度增加，最终得到想要的产品。精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸汽两者返回塔中。汽液回流形成了逆流接触的汽液两相，从而在塔的两端分别得到相对纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。

能源管理系统针对现代化工企业能源管理的需要，通过现场总线把精馏塔控制系统中的温度、浓度、压力、流量等能耗数据采集到上位管理系统，将全塔的水、蒸汽、精馏产品的用量由计算机集中处理，实现动态显示、报表生成和打印等一系列功能。化工企业能源管理系统采集的实时数据实现了精馏塔设备性能的在线分析，既可以实时评价其经济性，也可以评价运行参数的偏差及其对经济性造成的影响，进而实现运行优化的操作指导，同时根据这些数据实现系统的优化控制，选择最优的回流比，最大限度地提高精馏塔能源的利用率。

精馏塔传统性能系数计算方法要求设备处于稳态或者准稳态工况，而实际生产运行时，由于随机因素引起的板式精馏塔运行参数波动以及系统延时的影响，利用上述模型进行在线分析，达不到实时性能分析的要求，计算结果会产生较大偏差。

计算精馏塔性能系数关键在于计算理论塔板层数，以板式精馏塔为例，根据传统的芬斯克方程，其计算方程式如下：

板式精馏塔的性能系数定义为：

上述公式中，N_T表示理论塔板层数；N_P表示实际塔板层数；x_D表示塔顶易挥发组分的摩尔分数；x_W表示塔底易挥发组分的摩尔分数；α_m表示相对挥发度；η表示性能系数。

按公式(1)得到理论塔板层数，是计算精馏塔性能系数的关键，传统的芬斯克方程中的α_m波动大，且不易在线测量且精度差，不适用于实时计算；按公式(2)得到板式精馏塔的实时性能系数η。当运行参数波动时，实时性能系数η也会产生波动，但η的瞬时波动并不表明设备能效发生变化，因此利用该模型指导设备的运行存在局限性。这主要是因为实时性能系数模型的工况为稳态或者准稳态，一般不会存在参数的较大幅度波动，即使个别参数有短时的大幅波动，也不会对计算结果产生影响。为得到适用于在线分析的性能系数计算模型，需对公式(2)中的各运行参数对时间积分，但积分算法复杂，不适合在线应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种板式精馏塔性能系数在线分析方法，可有效处理运行参数、设备负荷、环境温度的影响，以保证输出结果正确且稳定可靠。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种板式精馏塔性能系数在线分析方法，包括如下步骤：

步骤1、设对板式精馏塔相关运行参数进行采集的采样周期为T、性能系数计算的递推周期为nT，设置数组Q[n]用于存储从当前时刻开始向前依次计算得到的n个板式精馏塔的吸热量，设置数值P用于存储上一时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数；

步骤2、初始化数组Q[n]和数值P；

步骤3、按照采样周期T对板式精馏塔相关运行参数进行采集；

步骤4、根据建立的板式精馏塔性能系数稳态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'和性能系数η'，更新数组Q[n]；

步骤5、读取数组Q[n]中的数据，计算当前时刻往前(n-1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n-1占当前时刻及当前时刻往前(n-1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n的百分比L'；

步骤6、根据建立的板式精馏塔性能系数动态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数η_ave，更新数值P的值为η_ave。

优选，步骤4具体包括如下步骤：

401、读取板式精馏塔的相关运行参数，根据热平衡原理，计算当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'：

Q'＝C*q_m*(t₁-t₂)+Q_c

式中，C表示原料的平均比热容；q_m表示原料的质量流量；t₁表示原料出口温度；t₂表示原料进口温度；Q_c表示环境影响吸热量修正项；

402、根据改进的芬斯克方程计算理论塔板层数N_T，其计算方程式如下：

式中，x_D表示塔顶易挥发组分的摩尔分数；x_W表示塔底易挥发组分的摩尔分数；

403、计算板式精馏塔的性能系数η'，其计算方程式如下：

式中，N_P表示实际塔板层数。

优选，步骤6中，根据建立的板式精馏塔性能系数动态计算模型，利用一阶惯性加权递推算法，计算当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave。

优选，设上一时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数为η_θ，当ξ_n等于0时，当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave等于η_θ。

优选，设上一时刻计算得到的吸热量百分比为L_θ，当ξ_n不等于0时，当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave为：

η_ave＝L_θ*η_θ+(1-L_θ)*η'。

优选，重复步骤3-6实现板式精馏塔性能系数的连续在线分析。

本发明的有益效果是：通过改进的芬斯克方程，避免了相对挥发度的波动对计算结果的影响；提出的基于一阶惯性加权递推平均的板式精馏塔性能系数计算模型本质上为性能系数随时间的积分模型，但回避了对每个参与计算参数积分的过程，以吸热量作为递推权重能有效处理运行参数、设备负荷、环境温度波动和系统延时的影响，最终保证输出结果趋势正确，稳定可靠，且方便于现场应用。

附图说明

图1是本发明一种板式精馏塔性能系数在线分析方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种板式精馏塔性能系数在线分析方法，包括如下步骤：

步骤1、设对板式精馏塔的原料质量流量、进口温度、出口温度、组分摩尔分数等相关运行参数进行采集的采样周期为T、性能系数计算的递推周期为nT，设置数组Q[n]用于存储从当前时刻开始向前依次计算得到的n个板式精馏塔的吸热量，即数组Q[n]里的n个元素分别对应最近计算得到的n个板式精馏塔的吸热量；设置数值P用于存储上一时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数。

步骤2、初始化数组Q[n]和数值P。

步骤3、按照采样周期T对板式精馏塔相关的原料质量流量、进口温度、出口温度、组分摩尔分数等相关运行参数进行采集。

步骤4、根据建立的板式精馏塔性能系数稳态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'和性能系数η'，更新数组Q[n]，即用当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'代替数组Q[n]里最老的数据使得数组Q[n]里的n个元素分别对应最近计算得到的n个板式精馏塔的吸热量。

步骤5、读取数组Q[n]中的数据，计算当前时刻往前(n-1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n-1占当前时刻及当前时刻往前(n-1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n的百分比L'。

步骤6、根据建立的板式精馏塔性能系数动态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数η_ave，更新数值P的值为η_ave。

优选，步骤4具体包括如下步骤：

401、读取板式精馏塔的相关运行参数，根据热平衡原理，计算当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'：

Q'＝C*q_m*(t₁-t₂)+Q_c

式中，C表示原料的平均比热容，J/(kg*℃)；q_m表示原料的质量流量，kg/s；t₁表示原料出口温度，℃；t₂表示原料进口温度，℃；Q_c表示环境影响吸热量修正项；

402、根据改进的芬斯克方程计算理论塔板层数N_T，其计算方程式如下：

式中，x_D表示塔顶易挥发组分的摩尔分数；x_W表示塔底易挥发组分的摩尔分数；

403、计算板式精馏塔的性能系数η'，其计算方程式如下：

式中，N_P表示实际塔板层数。

优选，步骤6中，根据建立的板式精馏塔性能系数动态计算模型，利用一阶惯性加权递推算法，计算当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave。

优选，设上一时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数为η_θ，设上一时刻计算得到的吸热量百分比为L_θ：

当ξ_n等于0时，当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave等于η_θ；

当ξ_n不等于0时，当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave为：

η_ave＝L_θ*η_θ+(1-L_θ)*η'。

重复步骤3-6实现板式精馏塔性能系数的连续在线分析。

本发明提供一种板式精馏塔性能系数在线分析方法，基于一阶惯性递推平均算法原理对性能系数动态计算模型进行改进，得到计算简便、具有积分意义的性能系数模型。在传统性能系数计算模型的基础上，结合加权递推平均算法加以改进，引入吸热量为权重，可有效消除参数波动对实时性能系数的影响，该模型可用于化工企业能源管理系统，实现对板式精馏塔性能系数的连续在线分析，实时掌握设备的运行状况，为设备的优化运行提供指导。能有效处理运行参数、环境温度波动和系统延时的影响，从而保证计算结果准确可靠。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种板式精馏塔性能系数在线分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、设对板式精馏塔相关运行参数进行采集的采样周期为T、性能系数计算的递推周期为nT，设置数组Q[n]用于存储从当前时刻开始向前依次计算得到的n个板式精馏塔的吸热量，设置数值P用于存储上一时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数；

步骤2、初始化数组Q[n]和数值P；

步骤3、按照采样周期T对板式精馏塔相关运行参数进行采集；

步骤4、根据建立的板式精馏塔性能系数稳态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'和性能系数η'，更新数组Q[n]；

步骤5、读取数组Q[n]中的数据，计算当前时刻往前(n-1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n-1占当前时刻及当前时刻往前(n-1)个计算周期内板式精馏塔的吸热量总和ξ_n的百分比L'；

步骤6、根据建立的板式精馏塔性能系数动态计算模型，计算当前时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数η_ave，更新数值P的值为η_ave；

步骤4具体包括如下步骤：

401、读取板式精馏塔的相关运行参数，根据热平衡原理，计算当前时刻板式精馏塔的吸热量Q'：

Q'＝C*q_m*(t₁-t₂)+Q_c

式中，C表示原料的平均比热容；q_m表示原料的质量流量；t₁表示原料出口温度；t₂表示原料进口温度；Q_c表示环境影响吸热量修正项；

402、根据改进的芬斯克方程计算理论塔板层数N_T，其计算方程式如下：

式中，x_D表示塔顶易挥发组分的摩尔分数；x_W表示塔底易挥发组分的摩尔分数；

403、计算板式精馏塔的性能系数η'，其计算方程式如下：

式中，N_P表示实际塔板层数；

设上一时刻板式精馏塔的加权递推平均性能系数为η_θ，当ξ_n等于0时，当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave等于η_θ；

设上一时刻计算得到的吸热量百分比为L_θ，当ξ_n不等于0时，当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave为：

η_ave＝L_θ*η_θ+(1-L_θ)*η'。

2.根据权利要求1所述的一种板式精馏塔性能系数在线分析方法，其特征在于，步骤6中，根据建立的板式精馏塔性能系数动态计算模型，利用一阶惯性加权递推算法，计算当前时刻的加权递推平均性能系数η_ave。

3.根据权利要求1所述的一种板式精馏塔性能系数在线分析方法，其特征在于，重复步骤3-6实现板式精馏塔性能系数的连续在线分析。