内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统及方法.pdf

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一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机上位机包括：优化计算模块，用以优化计算，过程：设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；假定各塔板液相组成；对每一个塔板，分别计算其平衡温度和汽相组成和汽液相的焓值；判断条件是否成立，如果成立则继续，否则更新各塔板液相组成；判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进。

摘要
申请专利号：	CN200910155698.3	申请日：	2009.12.29
公开号：	CN101708375A	公开日：	2010.05.19
当前法律状态：	终止	有效性：	无权
法律详情：	登录超时
IPC分类号：	B01D3/14; B01D3/42	主分类号：	B01D3/14
申请人：	浙江大学
发明人：	刘兴高; 闫正兵
地址：	310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号
优先权：
专利代理机构：	杭州天正专利事务所有限公司 33201	代理人：	王兵;王利强
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内容摘要

一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机上位机包括：优化计算模块，用以优化计算，过程：设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；假定各塔板液相组成；对每一个塔板，分别计算其平衡温度和汽相组成和汽液相的焓值；判断条件是否成立，如果成立则继续，否则更新各塔板液相组成；判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，继续迭代。以及提出了一种生产潜力优化方法。本发明能在保持产品纯度满足生产要求的前提下使得内部热耦合精馏塔生产能力最大、降低单位产品能耗。

权利要求书

1：一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，所述现场智能仪表与控制站、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)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值； 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： V j + 1 H j + 1 G + U j - 1 H j - 1 L + F j H j F - ( V j + S j G ) H j G - ( U j + S j L ) H j L - Q j = 0 - - - ( 1 ) ]]> V j + 1 + U j - 1 + F j G + F j L - ( V j + S j G ) - ( U j + S j L ) = 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； V j + 1 y i , j + 1 + U j - 1 x i , j - 1 + F j z i , j - ( V j + S j G ) y i , j - ( U j + S j L ) x i , 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，...，M表示组分，M表示组分数； 7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回2)继续迭代。
2：如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，其特征在于：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： ln Φ i L = ln RT P ( v L - b L ) - b i b L ( 1 - Z L ) + ξ L a L ( b i b L - 2 Σ m x m a i , m a L ) / b L RT - - - ( 5 ) ]]> ln Φ i G = ln RT P ( v G - b G ) - b i b G ( 1 - Z G ) + ξ G a G ( b i b G - 2 Σ m x m a i , m a G ) / b G RT - - - ( 6 ) ]]> K i = Φ i L / Φ i G - - - ( 7 ) ]]> y i ＝K i x i (8) 其中，Ф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，...，M表示组分，M表示组分数，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 | 1 - Σ i y i | 0.0001 ]]> 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。 3.如权利要求1或2所述的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，其特征在于：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： H i * = c i + d i T + e i T 2 + f i T 3 + h i T 4 - - - ( 9 ) ]]> H * = Σ i y i H i * - - - ( 10 ) ]]> H G = H * - RT ( 1 - Z G ) - ξ G ( a G - T d a G dT ) / b G - - - ( 11 ) ]]> H L = H * - RT ( 1 - Z L ) - ξ L ( a L - T d a L dT ) / b L - - - ( 12 ) ]]> 其中H i * 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。
4：如权利要求2所述的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，其特征在于：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： a i , m = Ω ai , m R 2 T ci , m 2 / P ci , m - - - ( 13 ) ]]> b i ＝Ω b RT ci /P ci a(14) T ci , m = T ci T cj ( 1 - k i , m ) - - - ( 15 ) ]]> V ci , m = 0.125 ( V ci , m 1 / 3 + V ci , m 1 / 3 ) 3 - - - ( 16 ) ]]> Z ci，m ＝0.5(Z ci +Z cm )(17) P ci，m ＝RT ci，m Z ci，m /V ci，m (18) Ω ai，m ＝0.5(Ω ai +Ω am )(19) 对汽相： a G = Σ i Σ m y i y m a i , m - - - ( 20 ) ]]> b G = Σ i y i b i - - - ( 21 ) ]]> 令 A G ＝a G P/R 2 T 2 (22) B G ＝b G P/RT(23) α G ＝2B G -1(24) β G = A G - 3 B G - 5 B G 2 - - - ( 25 ) ]]> γ G = 2 ( B G 3 + B G 2 ) - A G B G - - - ( 26 ) ]]> 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 Z G 3 + α G Z G 2 + β Z G + γ G = 0 - - - ( 27 ) ]]> 则， v G ＝RT/PZ G     (28) ξ G = 0.242536 ln v G + 3.561553 b G v G - 0.561553 b G - - - ( 29 ) ]]> 对液相： a L = Σ i Σ m x i x m a i , m - - - ( 30 ) ]]> b L = Σ i x i b i - - - ( 31 ) ]]> 令 A L ＝a L P/R 2 T 2 (32) B L ＝b L P/RT    (33) α L ＝2B L -1(34) β L = A L - 3 B L - 5 B L 2 - - - ( 35 ) ]]> γ L = 2 ( B L 3 + B L 2 ) - A L B L - - - ( 36 ) ]]> 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 Z L 3 + α L Z L 2 + β Z L + γ L = 0 - - - ( 37 ) ]]> 则， v L ＝RT/PZ L     (38) ξ L = 0.242536 ln v L + 3.561553 b L v L - 0.561553 b L - - - ( 39 ) ]]> Ω ai ＝C i -D i τ+E i τ 2 -W i τ 3 (40) Ω b ＝0.070721(41) τ＝0.01T(42) 其中，A、B、α、β、γ、τ、Ω a 、Ω b 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。
5：如权利要求1或2所述的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，其特征在于：所述的上位机还包括：结果显示模块，用于将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示；
6：一种用如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统实现的生产潜力优化方法，其特征在于：所述的生产潜力优化方法包括以下步骤： 1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值； 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，计算其汽液相的焓值； 5)联立式(1)(2)计算各塔板的汽液相流量： V j + 1 H j + 1 G + U j - 1 H j - 1 L + F j H j F - ( V j + S j G ) H j G - ( U j + S j L ) H j L - Q j = 0 - - - ( 1 ) ]]> V j + 1 + U j - 1 + F j G + F j L - ( V j + S j G ) - ( U j + S j L ) = 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)； 6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤3)迭代； V j + 1 y i , j + 1 + U j - 1 x i , j - 1 + F j G z i , j G + F j L z i , j L - ( V j + S j G ) y i , j - ( U j + S j L ) x i , 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，...，M表示组分，M表示组分数； 7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回步骤2)继续迭代。
7：如权利要求6所述的生产潜力优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，由泡点法计算平衡温度和汽相组成的过程如下： 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： ln Φ i L = ln RT P ( v L - b L ) - b i b L ( 1 - Z L ) + ξ L a L ( b i b L - 2 Σ m x m a i , m a L ) / b L RT - - - ( 5 ) ]]> ln Φ i G = ln RT P ( v G - b G ) - b i b G ( 1 - Z G ) + ξ G a G ( b i b G - 2 Σ m x m a i , m a G ) / b G RT - - - ( 6 ) ]]> K i = Φ i L / Φ i G - - - ( 7 ) ]]> y i ＝K i x i (8) 其中，Ф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，...，M表示组分，M表示组分数，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 由物性参数计算方法计算； 3.3)检验 | 1 - Σ i y i | 0.0001 ]]> 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，返回步骤3.2)继续迭代。
8：如权利要求6或7所述的生产潜力优化方法，其特征在于：所述步骤4)中，计算汽液相混合焓，其过程如下： H i * = c i + d i T + e i T 2 + f i T 3 + h i T 4 - - - ( 9 ) ]]> H * = Σ i y i H i * - - - ( 10 ) ]]> H G = H * - RT ( 1 - Z G ) - ξ G ( a G - T d a G dT ) / b G - - - ( 11 ) ]]> H L = H * - RT ( 1 - Z L ) - ξ L ( a L - T d a L dT ) / b L - - - ( 12 ) ]]> 其中H i * 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。
9：如权利要求7所述的生产潜力优化方法，其特征在于：所述物性参数计算方法包括以下步骤： a i , m = Ω ai , m R 2 T ci , m 2 / P ci , m - - - ( 13 ) ]]> b i ＝Ω b RT ci /P ci a(14) T ci , m = T ci T cj ( 1 - k i , m ) - - - ( 15 ) ]]> V ci , m = 0.125 ( V ci , m 1 / 3 + V ci , m 1 / 3 ) 3 - - - ( 16 ) ]]> Z ci，m ＝0.5(Z ci +Z cm )(17) P ci，m ＝RT ci，m Z ci，m /V ci，m (18) Ω ai，m ＝0.5(Ω ai +Ω am )(19) 对汽相： a G = Σ i Σ m y i y m a i , m - - - ( 20 ) ]]> b G = Σ i y i b i - - - ( 21 ) ]]> 令 A G ＝a G P/R 2 T 2 (22) B G ＝b G P/RT(23) α G ＝2B G -1(24) β G = A G - 3 B G - 5 B G 2 - - - ( 25 ) ]]> γ G = 2 ( B G 3 + B G 2 ) - A G B G - - - ( 26 ) ]]> 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 Z G 3 + α G Z G 2 + β Z G + γ G = 0 - - - ( 27 ) ]]> 则， v G ＝RT/PZ G     (28) ξ G = 0.242536 ln v G + 3.561553 b G v G - 0.561553 b G - - - ( 29 ) ]]> 对液相： a L = Σ i Σ m x i x m a i , m - - - ( 30 ) ]]> b L = Σ i x i b i - - - ( 31 ) ]]> 令 A L ＝a L P/R 2 T 2 (32) B L ＝b L P/RT    (33) α L ＝2B L -1(34) β L = A L - 3 B L - 5 B L 2 - - - ( 35 ) ]]> γ L = 2 ( B L 3 + B L 2 ) - A L B L - - - ( 36 ) ]]> 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 Z L 3 + α L Z L 2 + β Z L + γ L = 0 - - - ( 37 ) ]]> 则， v L ＝RT/PZ L     (38) ξ L = 0.242536 ln v L + 3.561553 b L v L - 0.561553 b L - - - ( 39 ) ]]> Ω ai ＝C i -D i τ+E i τ 2 -W i τ 3 (40) Ω b ＝0.070721(41) τ＝0.01T    (42) 其中，A、B、α、β、γ、τ、Ω a 、Ω b 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。
10：如权利要求6或7所述的生产潜力优化方法，其特征在于：在所述的步骤7)中，上位机将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示。

说明书

内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统及方法
    【技术领域】

    本发明涉及精馏节能领域，特别地，涉及一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统及方法。

    背景技术

    内部热耦合精馏是至今为止所提出的四大节能精馏技术中节能效能最高的一项节能技术，在世界范围内得到了巨大的重视。内部热耦合精馏塔减少了常规精馏塔的冷凝器和再沸器的热负荷，让热量从精馏段传向提馏段，因此精馏段需要工作在比提馏段高的压力和温度下。为了调节工作压力，一个压缩机和一个节流阀被安排在两部分之间。由于精馏段与提馏段的压力差和热耦合结构，一定数量的热量从精馏段传向提馏段，从而给精馏段提供向下的回流液，给提馏段提供向上的蒸汽流。精馏段的流速向上递减而提馏段的流速向下递减。通过热量的内部耦合，可以去掉常规的再沸器和冷凝器，大量的能量被再利用，从而大幅度的降低了能耗。研究结果表明，内部热耦合精馏塔与常规精馏塔最小回流比下的能耗和操作费用相比还可以节省30％以上。

    过程优化是生产过程设计开发的关键，对于提高过程经济效益具有极为显著的作用。它是指在过程系统性能、特点所给定的约束条件下，找到使系统的效能指标或者目标函数达到最小(最大)的设备参数和操作条件。内部热耦合精馏塔塔生产潜力优化是指在保持产品纯度满足生产要求的前提下，找到使得精馏塔产量最大的操作条件，降低单位产品能耗，从而达到节能降耗的目的。

    【发明内容】

    为了克服目前内部热耦合精馏过程尚无生产潜力优化系统、单位产品能耗较高的不足，本发明提供一种能在保持产品纯度满足生产要求的前提下使得内部热耦合精馏塔生产能力最大、降低单位产品能耗的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统及方法。

    本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

    一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统，包括与内部热耦合精馏塔连接的现场智能仪表、控制站、数据库以及上位机，所述现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连接，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)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；

    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，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL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)yij-(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，...，M表示组分，M表示组分数；

    7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回2)继续迭代。

    作为优选的一种方案：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---(5)]]>

    lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(6)]]>

    Ki=ΦiL/ΦiG---(7)]]>

    yi＝Kixi    (8)

    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，...，M表示组分，M表示组分数，摩尔体积v、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL由物性模块计算；

    3.3)检验|1-Σiyi|<0.0001]]>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。

    作为优选的另一种方案：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---(9)]]>

    H*=ΣiyiHi*---(10)]]>

    HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(11)]]>

    HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(12)]]>

    其中Hi*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。

    作为优选的再一种方案：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---(13)]]>

    bi＝ΩbRTci/Pcia                (14)

    Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(15)]]>

    Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(16)]]>

    Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)            (17)

    Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m    (18)

    Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)         (19)

    对汽相：

    aG=ΣiΣmyiymai,m---(20)]]>

    bG=Σiyibi---(21)]]>

    令

    AG＝aGP/R2T2    (22)

    BG＝bGP/RT      (23)

    αG＝2BG-1      (24)

    βG=AG-3BG-5BG2---(25)]]>

    γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(26)]]>

    取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG

    ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(27)]]>

    则，

    vG＝RT/PZG    (28)

    ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(29)]]>

    对液相：

    aL=ΣiΣmxixmai,m---(30)]]>

    bL=Σixibi---(31)]]>

    令

    AL＝aLP/R2T2    (32)

    BL＝bLP/RT      (33)

    αL＝2BL-1      (34)

    βL=AL-3BL-5BL2---(35)]]>

    γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(36)]]>

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

    ZL3+αLZL3+βZL+γL=0---(37)]]>

    则，

    vL＝RT/PZL                   (38)

    ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(39)]]>

    Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3    (40)

    Ωb＝0.070721                (41)

    τ＝0.01T                    (42)

    其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，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。

    进一步，所述的上位机还包括：结果显示模块，用于将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示；

    一种用所述的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统实现的生产潜力优化方法，所述的生产潜力优化方法包括以下步骤：

    1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；

    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，计算其汽液相的焓值；

    5)联立式(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，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL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)；

    6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤3)迭代；

    Vj+1yi,j+1+Uj-1xi,j-1+FjG+zi,jG+FjLzi,jL-(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，...，M表示组分，M表示组分数；

    7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回步骤2)继续迭代。

    作为优选的一种方案：所述步骤3)中，由泡点法计算平衡温度和汽相组成的过程如下：

    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---(5)]]>

    lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(6)]]>

    Ki=ΦiL/ΦiG---(7)]]>

    yi＝Kixi    (8)

    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，...，M表示组分，M表示组分数，摩尔体积v、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL由物性参数计算方法计算；

    3.3)检验|1-Σiyi|<0.0001]]>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，返回步骤3.2)继续迭代。

    作为优选的另一种方案：所述步骤4)中，计算汽液相混合焓，其过程如下：

    Hi*=ci+diT+eiT2+fiT3+hiT4---(9)]]>

    H*=ΣiyiHi*---(10)]]>

    HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(11)]]>

    HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(12)]]>

    其中Hi*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。

    作为优选的再一种方案：所述物性参数计算方法包括以下步骤：

    ai,m=Ωai,mR2Tci,m2/Pci,m---(13)]]>

    bi＝ΩbRTci/Pcia                (14)

    Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(15)]]>

    Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(16)]]>

    Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)            (17)

    Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m    (18)

    Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)         (19)

    对汽相：

    aG=ΣiΣmyiymai,m---(20)]]>

    bG=Σiyibi---(21)]]>

    令

    AG＝aGP/R2T2  (22)

    BG＝bGP/RT    (23)

    αG＝2BG-1    (24)

    βG=AG-3BG-5BG2---(25)]]>

    γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(26)]]>

    取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG

    ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(27)]]>

    则，

    vG＝RT/PZG    (28)

    ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(29)]]>

    对液相：

    aL=ΣiΣmxixmai,m---(30)]]>

    bL=Σixibi---(31)]]>

    令

    AL＝aLP/R2T2    (32)

    BL＝bLP/RT      (33)

    αL＝2BL-1      (34)

    βL=AL-3BL-5BL2---(35)]]>

    γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(36)]]>

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

    ZL3+αLZL3+βZL+γL=0---(37)]]>

    则，

    vL＝RT/PZL                   (38)

    ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(39)]]>

    Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3    (40)

    Ωb＝0.070721                (41)

    τ＝0.01T                    (42)

    其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，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。

    进一步，在所述的步骤7)中，上位机将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示。

    本发明地有益效果主要表现在：1、对内部热耦合精馏塔进行生产潜力优化计算，指导生产；2、发掘装置生产潜力，在保持产品纯度满足要求的前提下提高产量；3、降低单位产品能耗，从而提高生产效益。

    【附图说明】

    图1是本发明所提出的生产潜力优化系统的硬件结构图。

    图2是本发明所述内部热耦合精馏塔结构示意图。

    图3是本发明上位机的功能结构图。

    【具体实施方式】

    下面结合附图对本发明作进一步描述。

    实施例1

    参照图1、图2、图3，一种内部热耦合精馏塔节能潜力优化系统，包括与内部热耦合精馏塔1连接的现场智能仪表2、控制站4、数据库5以及上位机6，所述现场智能仪表2与数据接口3连接，所述数据接口3与控制站4、数据库5以及上位机6连接，所述的上位机6包括：

    优化计算模块7，用以优化计算，采用以下过程来完成：

    1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；

    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，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL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)yij-(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，...，M表示组分，M表示组分数；

    7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回2)继续迭代。

    所述上位机还包括：泡点法模块8，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---(5)]]>

    lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(6)]]>

    Ki=ΦiL/ΦiG---(7)]]>

    yi＝Kixi    (8)

    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，...，M表示组分，M表示组分数，摩尔体积y、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL由物性模块计算；

    3.3)检验|1-Σiyi|<0.0001]]>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6还包括：焓模块9，用以计算汽液相混合焓，其过程如下：

    Hi*=ci+diT+eiT2+fiT3+hiT4---(9)]]>

    H*=ΣiyiHi*---(10)]]>

    HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(11)]]>

    HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(12)]]>

    其中Hi*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6还包括：物性模块10，用以计算物性参数，其过程如下：

    ai,m=Ωai,mR2Tci,m2/Pci,m---(13)]]>

    bi＝ΩbRTci/Pcia                (14)

    Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(15)]]>

    Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(16)]]>

    Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)            (17)

    Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m    (18)

    Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)         (19)

    对汽相：

    aG=ΣiΣmyiymai,m---(20)]]>

    bG=Σiyibi---(21)]]>

    令

    AG＝aGP/R2T2    (22)

    BG＝bGP/RT      (23)

    αG＝2BG-1      (24)

    βG=AG-3BG-5BG2---(25)]]>

    βG=AG-3BG-5BG2---(25)]]>

    取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG

    ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(27)]]>

    则，

    vG＝RT/PZG    (28)

    ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(29)]]>

    对液相：

    aL=ΣiΣmxixmai,m---(30)]]>

    bL=Σixibi---(31)]]>

    令

    AL＝aLP/R2T2    (32)

    BL＝bLP/RT      (33)

    αL＝2BL-1      (34)

    βL=AL-3BL-5BL2---(35)]]>

    γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(36)]]>

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

    ZL3+αLZL3+βZL+γL=0---(37)]]>

    则，

    vL＝RT/PZL                   (38)

    ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(39)]]>

    Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3    (40)

    Ωb＝0.070721                (41)

    τ＝0.01T                    (42)

    其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，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。

    所述的上位机6还包括：结果显示模块11，用于将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示。

    本实施例的内部热耦合精馏塔节能潜力优化系统的硬件结构图如附图1所示，所述的优化系统核心由包括优化计算模块7、泡点法模块8、焓模块9、物性模块10、结果显示模块11和人机界面的上位机6构成，此外还包括：现场智能仪表2，数据接口3、控制站4、数据库5和现场总线。内部热耦合精馏塔1、智能仪表2、数据接口3、控制站4、数据库5、上位机6通过现场总线依次相连，实现信息流的上传和下达。优化系统在上位机6上运行，可以方便地与底层系统进行信息交换。

    本实施例的优化系统的功能结构图如附图3所示，主要包括优化计算模块7、泡点法模块8、焓模块9、物性模块10、结果显示模块11等。

    所述的生产潜力优化方法按照如下步骤进行实施：

    1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；

    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，计算其汽液相的焓值；

    5)联立式(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，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL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)；

    6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤3)迭代；

    Vj+1yi,j+1+Uj-1xi,j-1+Fjzi,j-(Vj+SjG)yij-(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，...，M表示组分，M表示组分数；

    7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回步骤2)继续迭代。

    实施例2

    参照图1、图2、图3，一种内部热耦合精馏塔生产潜力优化方法，所述的生产潜力优化方法包括以下步骤：

    1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料流量初值；

    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，计算其汽液相的焓值；

    5)联立式(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，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL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)；

    6)判断式(4)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤3)迭代；

    Vj+1yi,j+1+Uj-1xi,j-1+Fjzi,j-(Vj+SjG)yij-(Uj+SjL)xi,j<0.0001---(4)]]>

    7)判断产品纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料流量即为最大进料量，如果满足则将进料流量增加一个迭代步长Δ，返回步骤2)继续迭代。

    所述步骤3)中，由泡点法计算平衡温度和汽相组成的过程如下：

    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---(5)]]>

    lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(6)]]>

    Ki=ΦiL/ΦiG---(7)]]>

    yi＝Kixi    (8)

    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，...，M表示组分，M表示组分数，摩尔体积v、物性参数bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL由物性参数计算方法计算；

    3.3)检验|1-Σiyi|<0.0001]]>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，返回步骤3.2)继续迭代。

    所述步骤4)中，计算汽液相混合焓，其过程如下：

    Hi*=ci+diT+eiT2+fiT3+hiT4---(9)]]>

    H*=ΣiyiHi*---(10)]]>

    HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(11)]]>

    HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(12)]]>

    其中Hi*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。

    所述物性参数计算方法包括以下步骤：

    ai,m=Ωai,mR2Tci,m2/Pci,m---(13)]]>

    bi＝ΩbRTci/Pcia                (14)

    Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(15)]]>

    Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(16)]]>

    Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)            (17)

    Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m    (18)

    Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)         (19)

    对汽相：

    aG=ΣiΣmyiymai,m---(20)]]>

    bG=Σiyibi---(21)]]>

    令

    AG＝aGP/R2T2    (22)

    BG＝bGP/RT      (23)

    αG＝2BG-1      (24)

    βG=AG-3BG-5BG2---(25)]]>

    γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(26)]]>

    取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG

    ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(27)]]>

    则，

    vG＝RT/PZG    (28)

    ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(29)]]>

    对液相：

    aL=ΣiΣmxixmai,m---(30)]]>

    bL=Σixibi---(31)]]>

    令

    AL＝aLP/R2T2    (32)

    BL＝bLP/RT      (33)

    αL＝2BL-1      (34)

    βL=AL-3BL-5BL2---(35)]]>

    γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(36)]]>

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

    ZL3+αLZL3+βZL+γL=0---(37)]]>

    则，

    vL＝RT/PZL                   (38)

    ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(39)]]>

    Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3    (40)

    Ωb＝0.070721                (41)

    τ＝0.01T                    (42)

    其中，A、B、α、β、γ、τ、Ωa、Ωb是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，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。

    在所述的步骤7)中，上位机将优化计算结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将优化计算结果传递到现场操作站进行显示。

    本发明所提出的内部热耦合精馏塔生产潜力优化系统及方法，已通过上述具体实施步骤进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的装置和操作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域的技术人员是显而易见的，它们都会被视为包括在本发明精神、范围和内容中。