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推理控制在分子蒸馏装置中的应用研究

作　者: 李云鹏
导　师: 尤文
学　校: 长春工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 分子蒸馏推理控制系统主-副流双循环模型五味子油提纯 S7-300
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

分子蒸馏技术作为一种纯物理分离方法,可有效分离热敏性、高沸点物质。因而在石油化工、食物药品加工、日用化妆品生产等方面得到了全世界的广泛应用。分子蒸馏技术克服了目前各种蒸馏方法存在的缺点,能够在高真空状态下更好、更快的实现混合物质的分离和提纯,大大提高了生产效率,在实际的工业生产中具有重大的研究意义。推理控制系统能够利用模型通过可测信息推算出不可测的被控输出变量,设计推理控制器、估计器,从而实现反馈控制。推理控制亦能以前馈控制为目的,推算出不可测的扰动,以实现对控制系统性能的优化。如今国内外应用的推理控制算法相比于控制领域的其他控制理论方法,在理论和实际上都稍显不成熟,但其在控制系统中的应用价值仍是不可忽视的。推理控制的对数学模型的精确度要求很高,在现实的工程背景下,例如,在连续轧钢机的生产工作中,控制钢带厚度；又如纯氧顶吹转炉在工业生产时,对碳含量的控制。无论是在冶金行业还是石油化工行业,都时常遇到难以对被控输出进行采样、测量等难题。推理控制算法能够很好的解决实际工业生产中遇到的这些问题。项目中研制了DCH-300型号的控制设备,在详细的理论研究和认真的实际操作前提下,对三级刮膜式分子蒸馏设备的工艺和特性进行了分析。清晰的阐述了分子蒸馏设备的液膜流动过程,并在此基础上简化加热壁面上物料的蒸发环节,将单参数模型合理应用于分子蒸馏过程,利用主-副流双循环模型进行模拟计算并建立线性化模型完成对五味子酯甲物系和五味子乙素物系的模拟计算。将文献值和计算结果相对比并加以分析,得到了每一级刮膜蒸发器的蒸发温度和进料速率等参数对分离效果的影响,并进一步阐述了蒸发温度和进料速率是影响分离效果和收率的最重要因素。实验中获得的实验数据与文献值相吻合,从而证实了文中所建立的数学模型的正确性和可行性。通过深入研究分子蒸馏装置的各项参数和工艺标准,结合在五味子油蒸馏提纯中扰动不可测的问题,提出了推理控制算法,给出了设计推理控制器和估计器的合理方案。将推理控制算法应用于本次分子蒸馏提纯五味子油的试验中,完成控制系统的设计和优化。构建推理控制方案,针对设备参数和实验要求,设计推理控制系统,解决五味子油蒸馏提纯过程中扰动不可测的困难,从而达到提高纯度和产品收率、节约能源的目的。应用S7-300系列PLC,完成了DCS控制方案的设计,对本次试验项目的真空控制子系统、刮膜转速控制子系统、蒸发温度控制子系统、冷凝控制子系统和物料输送子系统,实现真空度、刮膜转速、蒸发温度、冷凝温度、物料液位及输送流量的控制。提高了分子蒸馏的分离效率并节约了能源,达到了该项目要求的技术指标。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-5
目录  5-8
第一章绪论  8-16
  1.1 论文的选题背景  8-9
  1.2 论文研究的目的和意义  9
  1.3 论文选题在该领域国内外发展现状  9-14
  1.4 论文的研究内容、实施方案和待解决的关键性问题  14-15
    1.4.1 研究内容  14
    1.4.2 实施方案  14
    1.4.3 待解决的关键性问题  14-15
  1.5 本章小结  15-16
第二章五味子三级分子蒸馏工艺的分析  16-29
  2.1 分子蒸馏的基本原理及实验条件的分析  16-18
    2.1.1 分子蒸馏的基本原理  16-17
    2.1.2 刮膜式分子蒸馏器的特点和作用  17-18
  2.2 分子蒸馏实现的必要条件分析  18-19
    2.2.1 冷凝面与蒸发面之间必须保持较高的温度差  18
    2.2.2 冷凝面与蒸发面之间必须要保持较短的距离  18-19
    2.2.3 分离系统中必须保持较高的真空度  19
    2.2.4 蒸发面上必须保持很小的液膜厚度  19
  2.3 三级刮膜式分子蒸馏工艺过程的分析  19-25
    2.3.1 一级薄膜蒸发对有效成分提纯效果的影响  20-23
      2.3.1.1 蒸馏温度对一级分离效果的影响  20-21
      2.3.1.2 真空度对一级分离效果的影响  21-22
      2.3.1.3 进料速度对一级分离效果的影响  22
      2.3.1.4 刮膜转速对一级分离效果的影响  22-23
    2.3.2 二级分子蒸馏对有效成分提纯效果的影响  23-24
      2.3.3.1 温度对二级分子蒸馏有效成分提纯效果的影响  23-24
      2.3.3.2 真空度对二级分子蒸馏有效成分精制效果的影响  24
    2.3.4 三级分子蒸馏对有效成分精制效果的影响  24-25
  2.4 分子蒸馏相比于常规蒸馏的优势  25-26
  2.5 分子蒸馏技术局限性的研究  26-27
  2.6 分子蒸馏提纯五味子乙素效果影响因素的分析  27
  2.7 本章小节  27-29
第三章过程建模及分离过程的影响因素  29-42
  3.1 五味子分子蒸馏数学模型的建立  29-33
    3.1.1 主-副流双循环模型的提出  29-30
    3.1.2 模型的特点  30-31
    3.1.3 数学模型的建立  31-33
  3.2 求解数学模型及模型可行性的分析验证  33-36
  3.3 五味子油提纯实验模拟值与文献值的对比分析  36-39
    3.3.1 进料速率对收率的影响对比  36-37
    3.3.2 不同蒸发温度对实验收率的影响分析  37-39
  3.4 分离过程的影响因素的研究  39-40
  3.5 本章小结  40-42
第四章推理控制算法的分析与研究  42-55
  4.1 推理控制的原理和产生背景  42-43
    4.1.1 推理控制算法的提出  42-43
    4.1.2 推理控制原理概述  43
  4.2 推理控制系统的组成结构  43-45
    4.2.1 推理控制结构的分析  43-45
    4.2.2 推理控制系统的基本组成  45
  4.3 推理估计器的设计方案  45-46
  4.4 滤波器时间常数选择方法的分析  46-47
  4.5 模型误差对推理控制系统稳定性的影响  47-48
    4.5.1 扰动通道模型存在误差对系统稳定性的影响  47
    4.5.2 控制通道的模型存在误差的系统稳定性的影响  47-48
  4.6 推理控制算法在分子蒸馏过程中的应用  48-54
    4.6.1 二次输出量、控制量的选择  48-49
    4.6.2 模型的线性化及推理估计器、推理控制器的设计  49-54
  4.7 本章小结  54-55
第五章分子蒸馏控制系统的硬件实现  55-64
  5.1 LPC在工业控制领域的应用  55
  5.2 PLC基本控制方法  55-57
  5.3 DCS控制系统的硬件组成及设计方案  57-63
    5.3.1 DCS控制系统设计前提的分析  57
    5.3.2 PLC控制系统的设计内容  57-59
    5.3.3 DCS控制系统的设计  59
    5.3.4 控制系统画面的设计  59-63
  5.4 本章小结  63-64
第六章结论与展望  64-66
  6.1 全文总结  64
  6.2 展望  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
作者简介  70
攻读硕士学位期间研究成果  70-71

推理控制在分子蒸馏装置中的应用研究

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