IGCC能源计划中的精馏塔的气态分离的动力模型

1、 igcc能源计划中的精馏塔的气态分离的动力模型 摘要 一个整体汽化联合循环设备对于化石燃料来说，像煤和重精炼厂的残渣等，开创了高效循环结合进程，如此一个设备因此拥有一个关键的与能量联结的相关单元，例如，一个蒸气涡轮和关键进程中的重要组成部分，在目前的问题中，他们都是空气分离设备，特别是在需求载荷改变的时段，相关的一些部件的不同反应都可能会对整个系统产生不必要的大流量波动，低温精馏塔作为空气分离设备的核心，强烈地影响着系统的运输行为，热效应时塔的上部被充满，在前面的论文中也紧密地调查过这种包装结构，为了达到这种目的，一个塔的动力模型已经被开发出来，它可以用来描述和研究大流量波动的压力动力，对于

2、那些不可控制的塔的运输行为的压力动力问题也已经被分析和讨论过了。塔压对于干扰的反应有两个时间范围，短期反应，持续时间一般为100200秒，它在液体动力学中的运输行为中占主导作用，并且它已被详细地讨论过了，而长期的反应是在非线性动力学中占主要地位，这种反应的时间很大程度上取决于干扰的方向和强度，持续的时间一般为一万秒到几万秒。 简介 鉴于未来co2贸易以及更加严厉的应对于氮的氧化物，二氧化硫和汞的排放物等的环境规则，能源电力市场将会被改变，特别是co2贸易已经作为一个新的指标，它超越了燃料和投资费用，在未来的可获利能源中扮演着一个新的角色。 虽然通过增加天然气点火联合循环设备，某种特定的co2的

3、排放将会显著地减少，但天然气是众多燃料中最昂贵的一种，同时也可以在此成功合理地利用化学工业中的人造燃料，煤和其他化石燃料的使用，将仍然会主导能源市场，并且新应急技术不得不被严肃地考虑以提高能源的高效性和co2的清除能力。在这篇文章中，我们可以看到，igcc是一种最有前途的选择，它可以满足这些要求，在欧美示范设备用已经论证了它操作上的可行性，igcc由汽化，空气分离，气体净化和联合循环等单元组成，并且它为像煤和精炼厂的残渣这样的固体燃料提供了一个高效联合循环过程，关于这方面操作经验的例子，已经由tait,mcdonald,和holt等人在近期的调查报告中给出了。 为了提高igcc能源设备的整体效

4、率，并减少能源的净损耗，空气分离单元需要选择性地与蒸气涡轮相结合，依据此相结合的程度，蒸气涡轮萃取提供空气分离单元所需要的一些或者全部的空气，为减少压力损失，空气分离设备和蒸气涡轮机之间的任何额外的参数都应该被忽略，因此，大流量蒸气从涡轮压缩机进入空气分离单元和涡轮燃烧室，这些单元是依据现场的压力的不同而严格定义了的，当改变蒸气涡轮载荷时，涡轮燃烧室的压力也会发生变化，使用标准的涡轮控制器，不期望的大流量波动在双重单元之间也会发生，这种波动已经被实验观察到了，此时，igcc设备也会遭受低频率和显著的操作影响。 低温精馏塔，作为空气分离单元的核心，严重影响到系统运输行为，这种影响作用在第一步中已

5、经被阐述过了，此塔属于整体加热的双型塔， 塔内下部分是塔盘，上部分是填料，当前在低温空气分离的领域的研究受到手头参考书目的限制，在2000年，reffel研究这种低温整体加热塔的进程改变，发明了一种多元灵活可变的控制方案，可以达到更好的净化控制目的。zhu等人为氮的蒸馏开发了低温蒸馏塔的动力模型，它是基于非线性波动理论的，并且对于那些大范围的操作，他也开发了一种可产生满意预测的模拟器，在2002年，egoshi为研究动力空气分离塔的设计建立了一个详细的静态模型，这种模型已经被发展成为了填料塔，早在2000年就有人用实验的方式建立了许多运输模型。 然而，如果空气分离单元在一种能源设备中广泛地应用

6、，那么对塔压动力的理解就显得很重要了，根据skogestad的理论，一个模型要考虑到所有物质成分以及内在的能量动力平衡，对于塔的压降，这种平衡可以很好的描述这种作用，hanke近期发表过与此塔模型有关的论文，塔内低部分的盘塔流体力学计算已经被分析过了，并且还分析过了它的短暂过程，这样的论文的发表在整体加热蒸馏塔的上层部分呈现了一个填料装置的动力模型，所有的方程和必要的参数都将会在下面被介绍，在没有安装任何控制器的情况下，塔内的瞬态反应和结果将会在第三章呈现和讨论。 2 精馏塔的模型 正如上面所提到过的，动力精馏塔常常被设计成填料塔，本部分将会呈现此填料塔的一种动力数学模型，这种模型可以描叙塔内

7、的动力，因此，它是由总物质，各成分物质以及内在的能量的动态平衡方程所组成的，如果平衡方程被公式化，液体的分离关系和蒸气流量也将包含其中，可以用一组代数方程来描述压降，液体流量，蒸气流量，相交平衡和工作介质的物理属性，有了这些参数，我们就可以建立模型了。 平衡方程和假设条件将会包含并呈现在第一部分中，水力模型将在第二部分被介绍，工作介质通过能量状态方程来描述，这将会在第三部分被呈现，在最后一部分，底部的再沸器会被简单地介绍。 2.1 一般假定和平衡方程 由于连续介质和热量在塔内进行着液态和气态的传递，填料塔模型一般由一系列的不同方程所构成，然而，大多数的填料塔都已经被模型化了，这种对阶段模型的研

8、究和结论是在对真实塔的观测上而开发的，但由于填料塔在获得大量传输数据方面非常困难，因此这种模型也被产生过很多质疑如果没有做出任何的假定，甚至一个细节化了的塔的阶段模型，它用在目前的实际工作中会显得相当的复杂。进一步简化，特别关注的塔的动力模型在接下来的部分会被讨论。根据这些假定并且考虑到一种理论，物料和能量平衡方程可以公式化，其物料公式为： 能量公式： 2.2 动力模型 对于上述方程，用额外的方程计算液体和气体流量很有必要，考虑到动力装料和压降就很显然了，流量反应对于初始的塔反应中扮演着很重要的角色，因此在本研究中，不能够目前的工作，动力模型被应用，它描述了液体成分和压降在结构包装中改变载荷的

9、最大点，在这个流量范围内，在低蒸气流量速率的条件下，填料塔可以看成几乎独立，这种假定似乎很合理，因为在这种载荷之下，没有液体的活动发生。 mackowiak研究液体成分而不是研究液体流量的方法是基于力平衡的，忽略了粘性力，重力等。根据这些假定和后面一面一些重新整理的方程，液体流量可以用以下公式来计算： 为了计算蒸气流量，动量方程也可以被应用，内在的变形力，如同蒸气流的重力也可以被忽略，因此，动量守恒方程可变形为：在该方程中，对于压降的表达是很有必要的，mackowiak的模型对于压降的研究是基于蒸气流通过一个空的管道的环境条件的，它可在同样的假定条件下计算液体流量： 在动量守恒方程中插入一个压

10、降表达式，导致了下面蒸气流量的方程： 对于一个塔设备，动力模型的应用取决于液体和蒸气流，因此，假定一些特殊的参数是必要的，这要看调料的属性了。2.3 物理属性和气液平衡 ，这样的变量，例如压力，蒸气成分，液体成分，密度和焓等，它们在热动力学中都有严格的定义，对于动力空气分离，我们可以在许多不同的著作中找到不同的研究方法。例如，zhu等人研究了减阶模型中相关物质的挥发性。rofel和egoshi研究气液平衡时用过peng-robinsen方程，一项关于空气和氮气，氧气和氩气的混合物动力属性的报告已由lemmon等人发表过. 在本工作中，为了描述中介空气的工作状态，有关n2-ar-o2混合物的be

11、nder方程被很好的运用，这种模型的建立是从前面修改过的方程中建立起来的，它体现了研究液体领域的精确性。这种模型可以允许计算气液平衡，同时在一个较大的固有范围内卡可以可靠的预测持续的能量和体积属性。而这个范围我们一般取为t=76380k, p=126par。2.4 双层再沸器浓缩系统在第一副图中可以看到，也被介绍过，精馏塔是一个整体加热的蒸馏塔，它分高压塔和低压塔两部分组成。这两部分也构成了再沸器浓缩系统，它将在第三副图中被简化。不同塔之间的不同用如此方法已被设计考虑到顶部低塔的氢气能够到达底部的高塔。而被液化。某种压缩机出口压力，决定了高压塔的压力。并且某一最大温度的限制也决定了高压塔前部氢

12、气的纯度。为达到这一极限温度，在塔的上层可以利用一较低的压力来提高某种水坑氧气的纯度。一些简单的模型描述了此种联合动力空气的浓缩再沸器设备，换热器壁的热量储存能力，也会被忽略，因为它是比较较小的热量流量，这种热量流量一般是由填料塔的底部产生的。3 模拟结果结论性的方程系统由160个普通不同的方程和40个复杂的代数方程组成，并且它们已被移植到了matlab/s模拟环境中。高纯度的蒸馏塔可以展示高的非线性行为，例如较大反应的滞后，或者强大的独立系统对于磁场和干扰方向的反应。rose在1950第一次讨论过这一效果。h.wang对此给了一个较好的报告，在非线性被动理论的帮助下阐明了这种作用，目前的模型

13、也显示此非线性行为。为了简便的讨论这一现象，非线性波动理论被应用于结果的评估学中。原始的发展成为多种成分的套色板。在当今许多分离问题中，非线性波动理论已被广泛应用。它对于动力模型的开发和控制系统的设计会有很大的帮助。基本思路是浓缩或温度可被看作一种不变形状的波。每一波都有自己固有的波速。它基本主要取决于波动l/v比例和振幅。如果流速被此种方法被调整，那么波速等于零,这种波占据塔的中层。这种稳定平衡状态，并且可以最大效率的分离，如果流速太低或太高，波速将会趋于零，波将会直上或直下的传播直到到达塔的末端，波在此会被阻止，这种作用叫做浪费的塔端作用。3.1 静态的外观在第一步中，静态外形已被讨论过，

14、这些外形为研究动力学提供了一个出发点。已如原始的讨论，在此工作中，低压塔的行为在没有安装任何控制器下被独立的调查分析过。塔间模拟交换作用，在第一步中被忽略掉了。图4显示了精馏塔的模拟部分的选择模拟安装，该塔有3个进气口和2个出气口，因第二个进气口在塔的顶部是液态氮，它来自高压塔的顶部，并且服务于塔的液体逆流。为了弥补动力损失，出口物料流量，顶部氮气 和底部氧气都是产品。它们彼此孤立开来，就是为了减少整体能量的消耗。 为了定义塔的图像，图5显示了重力作用下液相下塔静态外形。此塔可被分为两部分：精馏部分和抽锭脱膜部分。分析动力行为使用非线性波动理论，这种分别区就显得尤为重要了。模拟这种塔来描述运输

15、行为，塔顶部的液态氮的填料焓被改变在0.1秒内，由-105kj/kg-120kj/kg,所有其他的进口变量都保持不变，塔的反应发生在两个不同的时间段，流量和液体成分变化的反应需要很长时间，前者为短期动力反应，并且与塔的液体动力相关，而成分和温度需要长期的动力监测。3.2.1 短期行为 填料塔的减少的描述将会增加塔的顶部的额外的制冷引擎，它可以用于额外蒸气的压缩，因此，这一时期塔的顶部压强有所降低，其他部位不同压力之间保持着低范围的增加，这种增加了的压力会导致蒸气流量的加速，同时它也会反过来影起塔内压力的增加，而对蒸气流量和压力的反应的不同主要取决于塔的压力改变能力和对蒸气流量改变的抵制力，并且

16、它是很快的。图8和图9显示了压力不同的两个蒸气流量的临近阶段。（附图） 液体流量不能被改变在一个较短的时间里，但是，这种液态流速的反应相当于喷流管的射流作用，在不同的时期，液体成分不断的被增加以获得较大的流速。 最后物料的成分变化也会影响塔体内压力变化，当每个时期成分的变化或多或少不受温度变化的影响时，底部温度不会变化到一个非常严重的后果，正如上述所讨论过的，底部温度取决于传送到塔的热流量，如果所有进口物料流量和他们的焓保持不变，那么底部的温度也不会改变，因此，底部物质成分随压力的改变而改变，其他的盘塔也遵循这一规则。3.2.2 长期的行为 塔的液体动力在150秒后会自然的退去，这可以看成是短

17、期动力的结束，结果会改变l/v速率和塔的形状。在这一节的开头已经提到过，这种液体动力可以看做是具有一定速率的波，它的大小主要取决于l/v 速率和波的振幅，这两个变量都因短期动力的结果而发生改变，因此，波速时刻发生变化，这种波速变化的波可以传播得更远。，接下来，在非线性波动理论的帮助下，这种长期的动力将会被很好的分析。 波在精馏段按照一次方式进行改变以致于波会传播得更远，在第一步中，波在脱除段被激发以至于运动速率会下降，5000秒后，脱除段的物料成分将发生改变，这种成分的改变将会反过来影响波向上传播，并且会在塔的末端被阻止，波此时在精馏段内达到了一种动态的平衡状态，在300000秒后，波锁定在精

18、馏段的中部。 结论和观点：前面我们展现了低温空气分离的调料塔的动力模型，这种模型的设计主要是为弄清在短期和长期动力作用下，塔内的动力行为，为了描述这种代表性的作用，该模型详细化了的丰富经验已经被研究出来了，它是由总物料，组分物质和内在能量的动力平衡而组成，工作介质的能量状态已由被修正过的bender方程计算出来了，这个模型是由模块所构成的，因此它适合不同的塔形和不同的物质系统，在2.2章节中所给出的方程可以简单地被堰方程所代替，同时其中还有盘塔的压降更正，工作介质的物质模型在2.3章节中也会被同样的给出。该低温精馏塔模型提供并呈现了一些合理的结论，非线性作用的影响，时常发生在可以高浓度提纯的精馏塔内，例如一些不均匀的动力波动也可以观察得到，对于干扰的作用，塔内压力的反应有两个不同的时间段，短期的反应，一般持续100200秒，它与塔内液态动力的运输行为有着密切的联系，这一点在前面已经被详细地讨论过了，而长期反应和浓度的非线性动力关系密切，反应持续的时间很大程度上取决于干扰的方向和强度，