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分隔壁塔双效精馏热集成系统的稳态和动态行为研究

作　者: 林龙勇
导　师: 吴嘉
学　校: 浙江大学
专　业: 化学工程
关键词: 分隔壁精馏塔 双效精馏 动态行为 控制策略 模型预测控制
分类号: TQ028.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


精馏是当代化工生产中最成熟、应用最为广泛的分离技术,并将继续在化工和石油化工中占有不可替代的地位。精馏过程的主要缺点是能耗高。近年来,能源价格的持续上涨使得精馏过程节能技术的研究具有极其重要的意义。分隔壁精馏塔和多效精馏是两种典型的精馏节能技术,前者可以降低能耗和设备投资,后者则是提高能量利用率的有效方法。本文的研究对象为一种分隔壁塔结合双效精馏的新型热集成精馏(DDE)工艺,用于分离一种特定的多组分混合物,与两塔工艺相比,可节能34.3%,减少废水排放量20.2%,达到节能减排的效果。本文的主要内容包括新工艺的稳态模拟及对比,动态可控性分析,控制策略的选择,闭环动态响应的比较,模型预测控制方案建立,以及典型扰动条件下的动态行为和控制效果对比研究,为新工艺的工业应用提供定性和定量指导,具体的内容包括：(1)采用商业模拟软件Aspen Plus中的严格非线性模型对分离原料液的三种不同工艺进行了稳态模拟,对比分析了三种工艺的能耗和主要设备情况；采用Aspen Process Economic Analyzer分析三种工艺的经济性,对比研究了他们的总投资额,公用工程费用和投资回收期等。(2)使用Aspen Dynamics对新工艺进行了动态建模,根据工业生产的实际情况对模型进行了一定的修正,使之更符合实际。在此基础上,对关键操作变量和进料扰动的开环动态行为进行了研究,得到了分离系统的开环特性。(3)对新工艺进行了自由度分析以及过程传递矩阵分析,选择了四种比较有代表性的控制方案进行进一步的动态研究。对比了四种方案的温度控制响应结果和对应的浓度控制响应结果,分析了各方案对进料扰动的控制能力。(4)针对普通控制方案的不足之处,提出了一种模型预测控制(MPC)方案。通过与普通方案的闭环行为对比,说明此方案的优势,并通过实例研究,验证前面得到的结论。最后,对全文的工作进行总结,并且提出了进一步研究的方向。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
符号清单  9-10
目次  10-13
1 绪论  13-36
  1.1 精馏过程节能研究现状  13-14
  1.2 分隔壁精馏塔技术发展现状  14-25
    1.2.1 算法研究  16-18
    1.2.2 设备结构研究  18-20
    1.2.3 调节与控制研究  20-22
    1.2.4 应用研究  22-25
  1.3 双效精馏技术发展现状  25-27
    1.3.1 双效精馏技术简介  25-26
    1.3.2 双效精馏工艺控制的发展  26-27
  1.4 精馏过程控制简介  27-34
    1.4.1 精馏塔的控制目标  27-28
    1.4.2 精馏塔质量指标的选取  28-29
    1.4.3 精馏塔的干扰因素  29-31
    1.4.4 精馏塔的控制  31-34
  1.5 研究背景  34-36
2 分离工艺的设计和对比  36-45
  2.1 原料及产品组成  36
  2.2 分离工艺的设计  36-41
    2.2.1 双塔工艺  36-37
    2.2.2 双效工艺  37
    2.2.3 DWC结合双效工艺  37-39
    2.2.4 DDE工艺的可行性实验研究  39-41
  2.3 分离工艺的对比  41-43
    2.3.1 稳态对比  41-42
    2.3.2 经济分析  42-43
  2.4 工业应用情况对比  43-44
  2.5 小结  44-45
3 新工艺的动态行为研究  45-75
  3.1 新工艺的建模  45-53
    3.1.1 机理模型简介  45-48
    3.1.2 稳态建模  48-50
    3.1.3 动态建模  50-53
  3.2 开环动态行为研究  53-57
    3.2.1 操作变量扰动  53-56
    3.2.2 进料扰动  56-57
  3.3 可控性分析  57-63
    3.3.1 自由度分析  57-58
    3.3.2 过程传递矩阵分析  58-63
  3.4 闭环动态行为研究  63-74
    3.4.1 扰动类型选择  64-65
    3.4.2 灵敏板选择  65-66
    3.4.3 温度闭环响应  66-69
    3.4.4 浓度闭环响应  69-74
  3.5 小结  74-75
4 新工艺的模型预测控制策略  75-89
  4.1 MPC建模  77-79
  4.2 动态行为研究  79-82
    4.2.1 温度闭环响应  79-80
    4.2.2 浓度闭环响应  80-82
  4.3 实例对比研究  82-88
    4.3.1 进料扰动  82-83
    4.3.2 结果讨论  83-88
  4.4 小结  88-89
5 结论与展望  89-91
参考文献  91-97
作者简历及科研成果  97

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工过程（物理过程及物理化学过程） > 分离过程 > 单相系气体混合物的分离过程 > 精馏
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