（制冷及低温工程专业论文）液化煤层气装置除氧氮精馏塔稳态动态模拟及智能控制.pdf

国内图书分类号：tb66 国际图书分类号: 621.51.514 工学硕士学位论文 液化煤层气装置除氧氮精馏塔稳态动态模 拟及智能控制 硕 士 研 究 生： 荣蕾 导师： 贾林祥 教授 申请学位级别： 工学硕士 学 科 、 专 业： 制冷及低温工程 所 在 单 位： 能源科学与工程学院 答 辩 日 期： 2007 年 7 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tb66 u.d.c.: 621.51.514 dissertation for the master degree in engineering stable and dynamic simulation of rectification column iminating oxygen and nitrogen and intelligent control in lcbg equipment candidate: supervisor: academic degree applied for: specialty: affiliation: date of defence: degree-conferring-institution: rong lei prof. jia linxiang master of engineering refrigeration and cryogenic engineering school of energy science and engineering july, 2007 harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘摘 要要 天然气是一种优质洁净燃料，在能源、环保等方面具有其它能源无法比 拟的优势， 因此其发展前景非常广阔。开发利用天然气的关键技术是天然 气的存储和运输，而液化天然气在这两个方面具有得天独厚的优势，因此天 然气液化技术成了当前的一个研究热点。 天然气的主要来源之一是煤层气，利用天然气的小型液化技术将煤层气 液化并贮运是一种极有前景的煤层气开发形式，在煤矿安全方面也具有特殊 意义。本文以小型液化煤层气项目为课题背景，以冷箱中除氧氮精馏塔为主 要研究对象，主要完成了以下几个方面的工作： 1.物性计算是流程模拟的基础，文中详细讨论了所涉及的主要物性、相 平衡常数和多组分焓值的计算方法及过程，已备后续计算调用。 2 研究了冷箱中除氧、氮精馏塔的稳态工作模式和动态工作模式，并建 立相应的数学模型，对传热传质的若干问题进行了推导并给出了数学描述。 模型中的稳态部分利用 c 语言实现了塞尔-塞德迭代算法，求取了各平衡级 温度和气液相组成。模型的动态部分，研究了精馏塔在底部液位稳衡条件下 在时间域内完成分离任务的情况，利用 matlab 编程，并调用系统提供的 积分计算函数进行计算，详细讨论了塔板持液量、塔釜持液量对分离用时的 影响。 3.精馏塔塔底液位的大小对精馏塔的正常工作有很大的影响，但是，对 其进行精确的数学建模比较困难，导致基于模型的常规控制方法，难以取得 较好的效果。模糊控制方法是一种新兴的智能控制方法，对于无法进行精确 数学建模的控制对象，具有先天性的优势。因此，本文设计了一个模糊控制 器，对精馏塔塔底液位进行控制。然后，利用 matlab 的模糊控制工具箱 进行了仿真，仿真结果证明这种控制方案能够取得很好的效果。 关键词关键词 精馏塔；多组分物性；稳态迭代模型；动态模型；模糊控制 - i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abstract natural gas is a kind of clean and high-quality fuel with incomparable predominance over other kinds of energy sources when it comes to environmental protection, combustion efficiency and so forth. therefore, natural has bright prospects. the pivotal techniques for exploiture of natural gas are how to store and transport it conveniently and safely. lng (liquefied natural gas) has much advantage with respect to storage and transportation. so the technology of liquefying natural gas becomes a research focus at present. cbg (coal bed gas) is one of main sources of natural gas. one way with a good future and important sense in coal safety to exploit cbg is liquefying, storing and transporting it by means of liquefaction technology of natural gas. with the project of lcbg (liquefied coal bed gas) as the background and the oxygen and nitrogen wash rectifying column in cold box as the research plant, this paper does the following work: 1. calculation of physical properties is the foundation of process simulation, the key part in the process simulation. this paper gives a detailed discussion of how to calculate the involved primary physical properties, phase equilibrium constant and multi-component enthalpy ready for following calculation. 2. this paper does research on the steady-state work mode of the oxygen and nitrogen wash rectifying column in cold box and its dynamic work mode and then establishes the corresponding mathematical models to describe several questions related to heat transfer and mass transfer. the steady-state part of the models realizes thiele-geddes iterative algorithm by using c program language, calculates the temperature and the composition each equilibrium stage。the dynamic part of the models was solved by using matlab program language and provided integral solution function, gives an detailed account of how the bottom product of rectifying column reaches the requirements of component separation on the condition that the bottom liquid-level keeps stable and of how the holdup in ordinary tray and bottom tray space exerts influence on the time needed for separation. 3. the bottom liquid-level of the rectifying column is of much impact on the - ii - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 normal of work of the rectifying column. however, it is difficult to work out an exact mathematically model for the bottom liquid-level, which justifies the unsatisfactory results of regular control methods based on modeling. the fuzzy control method is a new intelligent control method. it is of much inborn superiority to control those plants which cannot be exactly mathematically modeled. as a result, this paper designs a fuzzy controller to control the bottom liquid-level of the rectifying column. the results of simulation based on the fuzzy control toolbox of matlab show that this control scheme can make good accomplishment. keywords: rectifying column; steady iterative model; dynamic model; fuzzy control logic - iii - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录目录 摘 要.i abstract. ii 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景及研究意义.1 1.1.1 精馏塔.3 1.2 国内外研究现状.3 1.2.1 流程模拟软件介绍.3 1.2.2 针对精馏塔的控制系统.6 1.3 本文主要研究内容.7 第 2 章 流程模拟分析和物性计算.8 2.1 引言.8 2.1.1 分离任务分析.8 2.1.2 进料热状况分析.8 2.1.3 塔内压力分布状况分析.8 2.1.4 设备结构图.9 2.2 热物性计算.10 2.2.1 主要物性计算.10 2.2.2 相平衡常数计算程序设计.12 2.2.3 平衡常数计算结果及分析.15 2.2.4 焓值的计算.21 2.3 本章小结.24 第 3 章 精馏塔稳态和动态性能研究.26 3.1 引言.26 3.1.1 主要问题的提出.26 3.2 稳态数学描述.27 3.2.1 数学建模.27 3.2.2 简单精馏塔的迭代算法的选择.29 3.2.3 应用算法建模计算.30 3.2.4 计算结果及分析.34 3.2.5 总体计算流程.37 - iv - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.3 动态数学描述.38 3.3.1 精馏塔动态数学模型的建立.38 3.3.2 方程求解.40 3.3.3 仿真结果及分析.41 3.4 本章小结.44 第 4 章 精馏塔液位的智能控制.45 4.1 引言.45 4.2 模糊控制器.45 4.2.1 混合智能控制器结构.45 4.2.2 控制对象建模.46 4.2.3 模糊控制器设计.48 4.2.4 仿真实验设计及分析.51 4.3 本章小结.54 结 论.55 参考文献.56 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.60 致 谢.61 - v - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第1章 绪论章 绪论 1.1 课题背景及研究意义课题背景及研究意义 本课题来源于lng5-b天然气/煤层气液化装置研制项目。液化煤层气流 程包括煤层气净化(也称预处理)和煤层气液化两个过程。煤层气预处理过程 主要用来脱除其中的对液化过程不利的组分，如硫化氢、二氧化碳、水分、 重烃类及汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备或在低温下冻结而堵塞设备和管 道1,2,3。液化流程采用高效紧凑的板翅式换热器使天然气不断降温，最后将 液化产生的液化气送入保冷良好的低压绝热容器中，以便储存、运输以备使 用。整个系统的设备主要包括：吸收塔、再生塔、换热器、分子筛、膨胀 机、压缩机和气液分离器，除氧、氮精馏塔等1,3。 随着世界经济的发展，石油危机的冲击和煤、石油所带来的污染问题 日益严重，使能源结构逐步发生变化，天然气的消费急剧增长5。众所周知 天然气是清洁、优质、具有竞争力的能源和化工原料，它燃烧时仅仅散发极 少量的so2，微量的co而且实际上无悬浮颗粒物。它产生单位热量放出的 温室气体co2只有煤炭的一半左右，比石油还少三分之一，因此天然气是首 选环保燃料之一6,7。目前全球天然气消费量已高达每年 2.32 万亿立方米， 占世界一次能源需求总量的 24.3%。随着环保要求的日益严格和人们环保意 识的增强，天然气这种洁净能源的市场份额将不断扩大，其发展前景十分广 阔。尤其在目前情况下，国际油价长期居高不下，全球对清洁能源天然气的 需求增长更强劲。可见世界lng得以长足发展主要归因于三个方面8,9：能 源资源多样化；经济增长带动的整个能源需求的增长；对环境保护的日益重 视。 天然气的主要成分是甲烷ch4，液化天然气（lng）的体积只有同量气 态体积的 1/625，因而将其液化之后，一是有利于降低储存和运输成本；二 是可以提高单位体积的燃值，用于发电和交通运输工具的燃料；三是液化天 然气（lng）被气化用于城市调峰装置10，可以减轻城市高峰能源紧张状 态6,11。 国际天然气市场对液化天然气的需求不断上升，我国如能实现液化天 然气出口，其经济效益将十分明显12。目前，我国液化天然气工业尚处于 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 起步阶段，在天然气液化技术等方面还不成熟，基础研究工作还比较缺乏， 但是随着我国天然气工业的蓬勃发展， “西气东输”大型天然气输配气工程 以及一批lng装置的纷纷启动，我国液化天然气工业将进入一个迅猛发展 的时期。 煤层气是天然气的重要来源之一，液化煤层气除了具有液化天然气的 优点之外，在环境保护和生产安全等方面具有特殊的意义。对液化气产品的 要求，目前国家已颁布了国家标准。根据gb/t19204-2003 规定， lng中的 甲烷含量应高于 75%，氮的含量应低于 5%。由于o2，n2和ch4的液化点较 接近，在液化ch4的过程中，会把上述两种气体液化。但是，lng产品的生 产对氧、氮的含量都是有要求的，所以要对终端产品实现除氧、氮操作，这 就涉及到对液化气体的精细分离操作问题。 化学工业生产过程是将原料经过化学变化和分离过程加工成有用的产 品的过程。化工生产过程按其基本原理，大体上可以分为化学反应过程和分 离过程两大类。分离过程不但主要用于化学反应的发生前后，而且还有一些 化工生产过程没有化学反应发生，单纯为了实现分离而进行化工生产。大量 的分离操作存在于生产过程中，认真研究和掌握分离生产过程有着重要意 义。 分离的目的是改变混合物中各个组分的浓度。分离方法视物系的性质 和要求而定。对于某些非均相混合物，可以利用密度和粒度的不同采用机械 分离方法。但是对于化工生产中常遇到的均相混合物，则要利用蒸汽压和溶 解度的不同，使物质从一相向另一相转移，从而达到分离的目的。本文讨论 的分离亦为均相混合物进行分离。 均相液体混合物的精细分离装置，当首选精馏塔。基于精馏塔结构的 复杂性，为了达到既可以使装置结构紧凑（考虑容量的大小对于结构和操作 的影响） ；又可以达到良好的分离效果的目的（稳态工作过程的要求） 。本文 从不同的出发点，分别考虑精馏操作的稳态和动态特性，来建立相应的数学 模型来分析和解决问题 1315。 过程模拟或过程仿真（process simulation）已被确认为一种用于过程设 计和优化的非常有效的工具。模拟是过程放大的一种合理方法，能够方便地 解决化工生产过程中的大型数值计算问题。方便离线优化，对工程设计提供 了极大的便利。使得从科学通向工程的道路变得便捷而宽广。近年来，随着 大型、高速计算机的开发，模拟的应用得到迅速发展，过程优化也有了长足 的发展。 - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 本文对煤层气液化流程中的精馏提纯过程作了详尽的动静态模拟研 究，通过对算法的研究，明确了流程模拟的计算过程，为该分离过程的设计 和优化提供了有效的手段和依据。 1.1.1 精馏塔精馏塔 精馏是石油、化工生产中应用极为广泛的传热传质过程，其目的是使混 合物中各组分分离，达到规定的纯度。精馏过程的实质是利用混合物中各组 分挥发度的不同，即在同一温度下各组分的饱和蒸气压不同这一性质，使液 相中的轻组分转移到气相中，气相中的重组分转移到液相中，实现分离目 的。 精馏塔是一个非常复杂的装置，为了使其平稳、安全、高效的工作， 需要对其从各个不同角度进行研究。 首先，精馏塔作为分离装置，最需要考虑的是分离能力。本文针对不同 的分离任务和不同被分离物的物理特性来设计精馏塔，这个方面是设计型计 算，最重要的设计参数是求得理论塔板数。其次，对于具体的精馏塔又分为 板式塔和填料塔，对于设计出来的理论塔板要考虑塔板效率问题，要考虑实 际塔板的结构对于传质效率的影响，以及流动状况的影响，不能出现液泛 等，塔板对操作条件的弹性等。对于塔板本身结构的研究设计，涉及的是气 泡级的传热传质研究。最后，对于化工系统的装置的一大特点就是一旦系统 开始工作，人很难直接参与操作，所以自动控制在精馏塔的控制中有着重要 作用。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 流程模拟软件的发展可以追溯到上世纪六十年代，它的发展是伴随着大 工业和计算机技术的发展而不断成熟起来的。大工业的发展使流程模拟变成 一种迫切需要，而计算机技术的飞速发展使流程模拟软件的开发变成一种可 能。在这种情况下，流程模拟软件应运而生。 1.2.1 流程模拟软件介绍流程模拟软件介绍 化工过程的模拟与优化对化工、石化及相关行业的技术进步具有重要意 义，因此通用化工过程模拟软件的开发一直是人们关注的热门课题。多年来 - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 国内外都投入了大量的人力物力进行这方面的工作。在此领域，美国较为领 先，推出的aspen plus，process，hysys，chemcad等有较大的影 响的模拟软件。 aspen plus是麻省理工学院于 70 年代后期研制开发的软件，无论在物性 还是数值方法上，都应用了严格和最新的计算方法。进行单元和全过程的计 算，为企业提供准确的单元操作模型，评估已有装置的优化操作或新建，改 建装置的优化设计。这套系统功能齐全、规模庞大、性能优良，已广泛应用 于化工、炼油、石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动 力、节能、食品等许多工业领域。 pro/ii流程模拟软件广泛地应用于化学过程的严格的质量和能量平衡。从 油气分离到反应精馏， pro/ii都提供了最广泛的、最容易使用的有效模拟 工具。产品的provision图形用户界面（gui）,为用户提供了一个完全交 互的、基于windows的操作环境。 chemcad是工程技术人员用来对连续操作单元进行物料平衡和能量平衡 核算的有力工具。使用它，可以在计算机上建立和现场装置吻合的数据模 型。 hyprotech出品的hysys是一个允许设计者通过概念上的设计而简化制 作过程来完成项目工作。 流程模拟软件有着通用的特点，图形用户界面，用户化报表及pfd图，复 合的热曲线窄点分析，水合物预测 ，二氧化碳预测，蒸馏曲线分析，与 lotus 1-2-3, excel, 和autocad及兼容软件的接口，用户可以增添自己 的单元操作，热力学，组分和/或图形符号，在线的c语言编译器，用户可自 行增加ddl模块。基本上满足了化工设计的需要，并都为化工生产提供了 有效的工具。 国内在这方面的工作起步也较早，在 70 年代研制出了自己的通用化工 过程模拟系统，并对数十套装置进行了模拟计算，发挥了很好的作用。1983 年起，青岛化工学院等单位在郭家自然科学基金、化工部、山东省及其他单 位的大力支持下，先后完成了 ecss 工程化学模拟系统 i、ii 期工程的研究 工作，并从 l987 年起开始转让商品软件 ecss。1988 年 ecss 获国家科技 进步二等奖，达到八十年代国际水平，已在国内八十余家石油、化工、轻工 等行业的设计院、研究院和大型企业中得到应用，取得了显著的社会效益和 经济效益。九十年代，青岛化工学院受国家自然科学基金及化工部资助开发 了“数据驱动的集成化工过程模拟系统” ，经鉴定认为该软件达到了国际水 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 平。 总体来讲，国内的流程软件的发展还相对滞后，主要的困难是物性计算 模块的不准确。 物性对于任何流程模拟来说，都是至关重要的。热物性的计算是进行流 程模拟的基础，是仿真计算准确与否的一个关键因素。近几十年来，借助计 算机来计算工质物性的研究有了很大的发展，从方法、精度和使用上都有了 长足的进步16,17,18,19。目前，以计算功能擅长的fortran语言为主导的各 类物性计算程序已深入到各行各业，基本取代了手工图表，但还没能形成集 成的大型软件包。 在动态模拟上，许多资深专家也未能做到在工程设计中，兼顾动态稳态 系统优化。控制系统设计都是由有多年资深经验的设计师凭经验来设计完成 的。从全局出发，应用动态模拟作系统优化并没有大规模地应用到工程实 践，在国内只有 ge 等少数几家外资企业在工程设计中，考虑了过程动态优 化问题。 在二十世纪九十年代末期动态建模和仿真倍受质疑，但是由于在应用中 找到了越来越多的实际价值，目前已被人们广泛接受。在其发展的过程中， 它逐渐形成了两个分支来满足两种截然不同的需要。其中一个分支着眼于过 程各个子系统的研究，这包括压缩机控制分析，物液传输和存储以及气体产 品的交付系统。对于这些相对简单的应用，通用动态模拟软 simulink 一 直都是它们最佳选择，因为它提供了一个方便的图形界面环境允许构造快速 仿真。另一个分支着眼于工厂级的设备仿真应用，它们要求模型具有中等甚 至高等精度，同时涉及了复杂的热量传递和质量流动、严格的热动力学属性 计算、多组分质量流、包括精馏塔和多流道热交换器模型的集成模型单元。 对于这些类型的应用，类似于 simulink 这种面向系统和面向控制的仿真 工具就显得力不从心了。这主要是因为它们不能对大量微分方程和代数方程 有效求解，缺乏对稀疏矩阵的求解能力等；再者，它不是面向多组分气体流 对象的专用软件，也不能提供面向物性分析的软件包的简单链接。如果用 simulink 中的功能模块描述一个大型的工艺流程图，用户很快就会感到 厌烦。对于这些工厂级的建模与仿真应用，speedup 是强大的建模平台， 是一些仿真专家的工具。现在，speedup 已更名为 aspen custom modeler，与之配合的软件包 aspen dynamics 已发展的相当成熟。 但是，系统建模要求有较高的理论水平和实践经验，在国内这方面的工作做 的还比较少。由于是黑箱工作，对内部计算的理解和对模型的分析也存在一 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 定的困难。 1.2.2 针对精馏塔的控制系统针对精馏塔的控制系统 在实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种，石油化 工等大型生产过程，主要采用连续精馏生产方式。 随着石油化工的迅速发展，精馏操作应用越来越广泛，由于所分离的物 料组分不断增多，对分离产品的纯度要求不断提高，这就对精馏的控制提出 了更高的要求。此外，对于精密精馏，由于所分离产品的纯度要求很高，若 没有相应的自动控制与其配合，就难于达到预期的效果。因此，精馏塔的自 动控制极为重要。 精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，回收率最高和能 耗最低，或使塔的总收益最大，或总成本最小，一般来讲应满足如下几个方 面要求。 质量指标控制。塔顶或塔底产品之一应该保证合乎规定的纯度。就二元 组分精馏塔来说，质量指标的要求就是使塔顶产品中的轻组分含量和塔底产 品中重组分的含量符合规定的要求。而在多元组分精馏塔中，通常仅关键组 分可以控制。所谓关键组分，是对产品质量影响较大的组分。把挥发度较大 而由塔顶馏出的关键组分称为轻关键组分，挥发度较小从而由塔底流出的关 键组分称为重关键组分。所以，对多元组分精饱塔可以控制顶产品中轻关键 组分和塔底中重关键组分的含量。 物料平衡和能量平衡控制。塔顶馏出液和塔底釜液的平均采出量之和应 该等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较和缓，以利于上下工 序的平稳操作，塔内及顶、底容器的蓄液量应介于规定的上、下限之间。精 饱塔的输人、输出能量应平衡，以使塔内操作压力维持恒定。 约束条件。为保证精馏塔的正常、安全操作前提下，必须使某些操作参 数限制在约束条件之内，常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限 及临界温差限等。液泛限又称气相速度限，即塔内气相速度过高时，雾沫夹 带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生液泛，破坏正 常操作。漏液限亦称最小气相速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔 板漏液，板效率下降。最好在低于液泛的流速下操作。流速的限制，还要考 虑塔的工作弹性。对于浮阀塔来说，由于工作范围较宽，通常很易满足条 件。但对于某些工作范围较窄的筛板塔和乳化填料塔就必须注意防止液泛和 - 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 漏液。可以塔压降或压差来监视气相速度。压力限是塔的操作压力的限制， 一般都有最大操作压力限，即塔操作压力不能过大，否则会影响塔内的气液 平衡，严重越限会影响安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧间的温 差。当这一温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，传热量也随之下降， 不能保证塔的正常传热的需要。 可以看出，要想对精馏塔进行很好的控制使各项技术参数满足要求是一 件复杂的事情。而解决这些复杂事情的基础之一就是要明确它的工作特性， 了解它的稳态及动态工作性能。这就需要建立对象的稳态动态数学模型。 精馏塔是建立在物料平衡和热量平衡的基础上操作的，一切因素均通过 物料平衡和热量平衡影响塔的正常操作。影响物料平衡的因素主要是进料流 量、进料组分和采出量的变化等，影响热量平衡的因素主要是进料温度(或 热始)的变化、再沸器的加热量和冷凝器的冷却量变化、环境温度的变化 等。 由于控制复杂性决定了必须要有复杂的控制策略，传统控制方法有串级 控制、比例控制等。随着控制技术在化工领域的发展，一些先进控制算法被 引进，正在发挥了越来越大的作用，为精细生产提供了更加广泛的拓展空 间。 1.3 本文主要研究内容本文主要研究内容 本文的研究重点是在理解理论平衡级的基础上，利用现有的 lng5 的 设计参数，对稳态分离情况和动态特性进行描述。首先，分析了建立生产过 程稳态和动态数学模型所需要的基本数学理论和化工反应动力学理论。然 后，针对多组分分离计算中涉及的热力参数的计算，论讨了混合物物性计算 的方法，并进行了编程计算。为仿真打下基础。第三，针对精馏分离的工作 原理，以连续精馏塔为例讨论了分离过程的内在机理，建立了精馏塔的稳态 迭代数学模型和动态仿真数学模型，并代入项目设计参数，进行计算。第 四，针对精馏塔塔底液位控制的复杂性，设计模糊控制器，实现液位的智能 调节。 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第2章 流程模拟分析和物性计算章 流程模拟分析和物性计算 2.1 引言引言 在建立数学模型计算之前，要进一步明确操作条件，确定系统的工作状 态，以计算在该状态下工质的物性。 2.1.1 分离任务分析分离任务分析 本文的研究重点为三组分精馏分离，在详细研究了两组分精馏分离的基 础上，研究了ch4、n2、o2在饱和态时的特性。考察了这三种组分的饱和蒸 汽压，可以得到结论，各个组分按挥发性排列为，n2 大于o2，o2大于 ch4。这里，o2为轻关键组分，ch4为重关键组分。该次研究的目标是除去 液化气中的氧，根据分析可知则一定已经完成了除氮的工作。 2.1.2 进料热状况分析进料热状况分析 对于一个完整的简单塔，既包含精馏段，又包含提馏段。进料热状况决 定了进料在精馏段和提留段的物料分配。对于本文中所研究的塔而言，要考 虑的情况有些不同，主要考虑的是要除去氧，所以只需要考虑只含有提馏段 的精馏塔。考虑进料的气液相分配情况时，以进入液相流量为考虑的基准 点，气象直接从塔顶排出。这样相当于在塔的进料板处加了一个分离罐，进 行平衡级分离，则精馏塔的进料状况相当于泡点进料，在此前提下进行分 析。 2.1.3 塔内压力分布状况分析塔内压力分布状况分析 精馏塔内的压力分布是随着塔的高度逐渐降低的。精馏塔进行分离的动 力源自于塔底的再沸器提供的蒸汽。在进行分离的过程中，蒸汽逐板上升， 压力下降。塔的压降不是很大。如果很大，将会影响平衡级的工作效率。另 外，它的压力将决定了气体流速。虽然是连续精馏，但也要平稳进行，所以 塔的压力将一般很小，本文中讨论的精馏塔的设计压力将为 0.2bar。 考虑到在饱和状态下，温度对平衡常数的影响要比压力大得多。基于以 - 8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 上考虑，假设塔内压力恒定，塔顶设计压力为 1.6bar，该参数来自于 lng5 的工程设计参数。 2.1.4 设备结构图设备结构图 具体结构如图 2-1 所示： 图2-1 精馏塔流程图 fig.2-1 distillation column model 物料从塔顶进入，塔顶出气，塔底出液。其中从塔顶出来的气体由于温 度低于底部平衡级温度，来流的温度为底部平衡级温度，所以，可以对来流 进行冷却，令却后的进料经过进一步节流，使温度进一步降低，这样，通过 换热器 1，节流阀实现的塔顶塔底之间的温度差，从而使精馏塔可以完成分 离任务。 - 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.2 热物性计算热物性计算 精馏过程的数学描述需要计算的主要物性参数为气液相平衡常数和混合 物的焓值。 对于烃类物质，计算气液相平衡常数，可以较利用srk方程2125。计 算混合物焓值，lrk方程的计算精度较高26。 2.2.1 主要物性计算主要物性计算 平衡常数是相平衡计算最关键的参数。平衡常数是温度，压力，组分的 多元函数。求解精度也因不同的物系和不同的状态方程有着较大的差异。但 计算首先是在考察纯物质的基础上，得到纯物质的特性值，再根据物质之间 的相互作用加以修正，得到正确结果的。equation section 2 平衡常数的定义是 i i i y k x = (2-1) 从式（2-1）可以看出它表示的是一种气相和液相之间的组分对应关系。这 个关系说明的是该物质在该温度压力状态下的气体逸出能力或进入能力。对 应的物理量是气液相的饱和蒸汽压，物系处于平衡态，即这两者对应相等。 对于气相，通过道尔顿分压定律可以很好的描述大部分气体的压力状 态，对于液体的饱和蒸汽压的描述，在理想情况下可利用拉乌尔定律来描 述。这只是理想情况下，多组分之间的平衡关系，必然会受到组分间相互作 用的影响。这就要在纯组分的计算的基础上，对分压进行修正，修正后的物 理量称之为逸度。 根据热力学基本关系，可知气象逸度 i f与气象组成的关系为： vovvovvv iiiiiiiii ffypyp=y (2-2) 式中 ov i f系统温度、压力下，纯 组分的气象逸度； i v i 组成的气相活度系数； i ov i 系统温度、压力下，纯i组分的气相逸度系数； v i 系统温度、压力下，组分的气相逸度系数。 i 液相逸度系数 l i f与液相组成的关系 - 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 lollolll iiiiiiiii ffxpxpx= (2-3) 式中 ol i f系统温度、压力下，纯 组分的液相逸度； i l i 组分的液相活度系数； i ol i