【摘要】：雖然隔離壁精餾塔因其較低的設備投資與操作費用而優(yōu)于傳統(tǒng)的直接或者間接分離序列,但是它內部強烈的物質與能量耦合致使其控制特性十分復雜。為了彌補這個缺點,一方面有必要設法在隔離壁精餾塔的綜合與設計階段改善其可控性,另一方面則需要系統(tǒng)地研究隔離壁精餾塔的操作與控制,從而推動它在過程工業(yè)中的應用。因為在線濃度分析儀昂貴的價格與嚴重的時滯使得濃度控制系統(tǒng)在各種過程控制中都很少會使用,所以本文有關隔離壁精餾塔操作與控制部分的研究主要圍繞溫度推斷控制展開,主要研究內容如下所示:1、為了克服黑洞問題(黑洞問題的存在使得無法在隔離壁精餾塔的頂部、中間和底部產(chǎn)品上同時施加四個組分約束,嚴重影響了隔離壁精餾塔的操作與控制),本文使用了多進料策略來協(xié)調預分餾塔與主塔之間的關系并給出了一套系統(tǒng)的流程來推導沒有黑洞問題的最優(yōu)隔離壁精餾塔設計。通過對一個分離乙醇、丙醇和丁醇等摩爾混合物的隔離壁精餾塔的設計與操作的研究,評估了所給出的設計流程。開環(huán)與閉環(huán)可控性評估的結果都證明了采用多進料策略來克服黑洞問題的有效性。2、本文還嘗試使用了進料熱狀況調整策略來填補黑洞問題,進料熱狀況的調整是通過安裝在進料管道上的一個預熱器來實現(xiàn)的。通過對隔離壁精餾塔整體物料與能量平衡的強烈影響,調整進料熱狀況能夠改變預分餾塔與主塔之間的連接物流從而有效協(xié)調它們兩者之間的關系。基于對一個分離苯、甲苯和鄰二甲苯三元混合物的隔離壁精餾塔的研究,檢驗了進料熱狀況調整策略的可行性。穩(wěn)態(tài)與動態(tài)研究的結果都證明了調整進料熱狀況能夠完全填補黑洞問題從而提升過程的靈活性與可操作性。3、本文提出了一種簡化雙溫差控制策略來實現(xiàn)隔離壁精餾塔的嚴格產(chǎn)品純度控制,它包含了 2個溫度控制回路與2個雙溫差控制回路。2個溫度控制回路分別調節(jié)頂部和底部產(chǎn)品,2個雙溫差控制回路則分別控制預分餾塔和中間產(chǎn)品。這種設計策略很好地契合了隔離壁精餾塔本身的操作特性,所以有利于它的產(chǎn)品控制以及對操作條件變化的魯棒性。通過對一個分離理想三元混合物與一個分離苯、甲苯和鄰二甲苯三元混合物的隔離壁精餾塔的操作與控制的研究,比較了簡化雙溫差、溫差和雙溫差三種控制策略的性能。雖然簡化雙溫差與溫差控制策略所包含的溫度傳感器數(shù)目相同,但是前者因其與后者相差不多甚至更小的產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)偏差與更強的抗組分擾動能力而被認為優(yōu)于后者。雖然簡化雙溫差控制策略的產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)偏差與雙溫差控制策略的相比稍微大一點,但是前者所需的溫度傳感器數(shù)目更少,這使其成為一種有競爭力的隔離壁精餾塔控制策略。通過利用隔板兩側區(qū)域已有的溫度傳感器在公共精餾段與公共提餾段構建溫差,簡化雙溫差控制策略還可以被進一步增強,這增加了簡化雙溫差控制策略的多樣性。4、本文基于一個被廣泛研究的分離苯、甲苯和鄰二甲苯三元混合物的隔離壁精餾塔,分析了在每個控制回路均包含不同數(shù)目溫度傳感器的非對稱溫度控制結構的潛力。在保證四個被控產(chǎn)品純度(即,頂部、中間和底部產(chǎn)品純度以及預分餾塔頂部重組分的純度)嚴格維持在其穩(wěn)態(tài)設定值的情況下,評估了溫度、溫差和雙溫差這三種被控變量在所有種類進料組分擾動下的變化特性,并為每個控制回路挑選出了平均變化量最小的被控變量。結合相互作用分析,得出了三種非對稱溫度控制方案。閉環(huán)評估結果顯示,這三種非對稱溫度控制方案與雙溫差控制方法相比,瞬態(tài)響應相差無幾但是穩(wěn)態(tài)性能有所提升。雖然這三種非對稱溫度控制方案在中間產(chǎn)品純度上的穩(wěn)態(tài)偏差相對較大,但是這個缺點可以通過在中間控制回路增加兩個溫度傳感器來完全克服。這些發(fā)現(xiàn)有力地證明了采用非對稱溫度控制策略來實現(xiàn)隔離壁精餾塔嚴格推斷控制的可行性與巨大潛力。5、本文提出了一種新的精餾塔雙溫差控制策略設計方法,它使用新提出的性能指標ASVM(平均絕對變化幅度)來確定每個雙溫差控制回路中的上、下兩個參考板。ASVM測量了在假定完全克服了所有擾動的情況下靈敏板與剩余塔板之間溫差的變化情況,從而能夠反映出被控產(chǎn)品純度之間固有的耦合特性。對于每個雙溫差控制回路,第一個參考板的選擇應該以調節(jié)與其它控制回路之間的耦合為目的,第二個參考板的選擇則應該以協(xié)調所包含的兩個溫差為目的,由此促進對被控產(chǎn)品純度的預測�；谒膫�不同的分離實例(一個分離乙醇和丁醇二元混合物的傳統(tǒng)精餾塔、兩個分離乙醇、丙醇和丁醇三元混合物的傳統(tǒng)精餾塔與一個分離乙醇、丙醇和丁醇三元混合物的隔離壁精餾塔),通過與傳統(tǒng)設計方法的對比,評估了新提出的設計方法。盡管分別由新方法與傳統(tǒng)方法得到的雙溫差控制方案在動態(tài)性能上相差不多,但是前者在被控產(chǎn)品純度上的穩(wěn)態(tài)偏差比后者更小。這些顯著的結果有力地證明了本文提出的新設計方法可用于各種精餾塔的嚴格溫度推斷控制。
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ053.5
【圖文】：

邐北京化工大學博士學位論文邐逡逑１．１．１隔離壁精餾塔的發(fā)展與特點逡逑當分離三元或者多元混合物時，傳統(tǒng)的方法是使用精餾塔分離序列。混合物進料逡逑每經(jīng)過一個精餾塔只能分離出一個純組分產(chǎn)品，包含余下組分的混合物則需要進入下逡逑游的精餾塔繼續(xù)分離，直至分離出所有的純組分產(chǎn)品。圖Ｍ給出了用于分離三元混逡逑合物的直接分離序列和間接分離序列。因為這兩種分離序列的每一步分離都需要一套逡逑完整的精餾塔設備，所以整個分離序列的設備投資十分高昂。而且，對于傳統(tǒng)的分離逡逑序列，在第一個精餾塔中中間產(chǎn)品在其濃度達到最大值時沒有被采出，而是待濃度降逡逑低后由第一個精餾塔的頂部或者底部采出再經(jīng)過第二個精餾塔來實現(xiàn)分離提純（也就逡逑是所謂的“反混效應”）［５１，５２］，這導致整個分離序列的熱效率較低，操作能耗較高。逡逑

還有另外兩種基本構型，一種隔板位于精餾塔的底部區(qū)域（參照圖ｌ－３ａ），另一種隔板逡逑則位于精餾塔的頂部區(qū)域（參照圖ｌ－３ｂ）［６２’６３］。而且，隔離壁精餾塔的隔壁也可以有不逡逑同的形狀（如圖１－４所示），它可以偏離中軸線，也可以中間彎折。逡逑邐？邐＜邐＇邐？邋Ａ邐公共精餾段邐爹３邐＆逡逑ＩＶ逡逑Ｓｉ＊邋Ａ／Ｂ逡逑預分離段逡逑謂Ｃ邋，邐邐—邐？邐邐逡逑ＩＩ邐Ｖ邋側線采出段逡逑＾－ｒ邐公共提餾段邐Ｖ｜逡逑ｎ＝—－￣Ｔ邋＞邋ｃ邐Ｉ邐－０－邐逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖邋１－２邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋塔與邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）Ｐｅｔｌｙｕｋ邋塔，（ｂ）ＤＷＤＣ逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋ｃｏｌｕｍｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋ｃｏｌｕｍｎ，邋（ｂ）邋ＤＷＤＣ逡逑ｒ＾２ｈ邐ｒ＾ｈ邋ｒｔ２ｈ逡逑邐邐？邋？邐邐邋邐邐？逡逑邐？逡逑邐？逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１＿３另外兩種基本的ＤＷＤＣ構型逡逑（ａ）底部區(qū)域分開頂部區(qū)域共用的ＤＷＤＣ，（ｂ）頂部區(qū)域分^u底部區(qū)域共用的ＤＷＤＣ逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｏｔｈｅｒ邋ｔｗｏ邋ｅｓｓｅｎｔｉａｌ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）邋ＤＷＤＣ邋ｗｉｔｈ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｏｖｅｒｈｅａｄ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｄｉｖｉｄｅｄ邋ｂｏｔｔｏｍｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋ＤＷ

還有另外兩種基本構型，一種隔板位于精餾塔的底部區(qū)域（參照圖ｌ－３ａ），另一種隔板逡逑則位于精餾塔的頂部區(qū)域（參照圖ｌ－３ｂ）［６２’６３］。而且，隔離壁精餾塔的隔壁也可以有不逡逑同的形狀（如圖１－４所示），它可以偏離中軸線，也可以中間彎折。逡逑邐？邐＜邐＇邐？邋Ａ邐公共精餾段邐爹３邐＆逡逑ＩＶ逡逑Ｓｉ＊邋Ａ／Ｂ逡逑預分離段逡逑謂Ｃ邋，邐邐—邐？邐邐逡逑ＩＩ邐Ｖ邋側線采出段逡逑＾－ｒ邐公共提餾段邐Ｖ｜逡逑ｎ＝—－￣Ｔ邋＞邋ｃ邐Ｉ邐－０－邐逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖邋１－２邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋塔與邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）Ｐｅｔｌｙｕｋ邋塔，（ｂ）ＤＷＤＣ逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋ｃｏｌｕｍｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋ｃｏｌｕｍｎ，邋（ｂ）邋ＤＷＤＣ逡逑ｒ＾２ｈ邐ｒ＾ｈ邋ｒｔ２ｈ逡逑邐邐？邋？邐邐邋邐邐？逡逑邐？逡逑邐？逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１＿３另外兩種基本的ＤＷＤＣ構型逡逑（ａ）底部區(qū)域分開頂部區(qū)域共用的ＤＷＤＣ，（ｂ）頂部區(qū)域分^u底部區(qū)域共用的ＤＷＤＣ逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｏｔｈｅｒ邋ｔｗｏ邋ｅｓｓｅｎｔｉａｌ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）邋ＤＷＤＣ邋ｗｉｔｈ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｏｖｅｒｈｅａｄ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｄｉｖｉｄｅｄ邋ｂｏｔｔｏｍｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋ＤＷ

【參考文獻】

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本文編號：2782475