曾志伟[1]2013年在《二元板式精馏塔建模与多变量预测函数控制研究》文中研究说明精馏塔广泛应用于化工行业中的传质传热过程中，精馏塔动态特性复杂，具有多变量、强耦合等特点，所以建立精馏塔的动态数学模型，对精馏塔的动态特性研究以及优化控制研究等具有重要的指导意义。本文首先研究了建模过程中需要使用的基础物性数据的计算方法，然后针对双组分连续筛板塔建立动态机理模型，包括塔板、进料板、冷凝器、再沸器、塔釜五个模块，各模块相对独立又有明确的输入输出关系。对各个模块单独使用MESH方程组得到各自以非线性微分方程形式表示的机理数学模型，再通过输入输出顺序获得整塔模型计算方法。以苯和甲苯的二元精馏过程为例，将本文建立的精馏塔数学模型实例化，通过观察不同输入条件和扰动下模型的动态响应和稳态响应，并与实际过程进行比较，表明本模型能较好地模拟精馏过程的动态特性，对精馏塔的控制研究具有较高的实际价值。根据本文建立的苯和甲苯二元精馏模型，利用西门子离散控制系统PCS7设计并实施了多变量预测函数控制系统，以塔顶温度和塔底温度作为间接质量指标控制塔顶和塔底产品浓度，以塔顶回流量和塔底再沸器过热蒸汽流量作为操作变量，构成两输入两输出系统，采用多变量最小二乘法获得预测模型。通过PCS7结构化控制语言SCL，编写两输入两输出预测函数控制器；通过PCS7连续功能图语言CFC，实现针对精馏塔塔顶温度和塔底温度的多变量预测函数控制系统，并将控制效果与常规单输入单输出PID控制的控制效果进行比较，结果表明，本文提出的控制方案具有更好的鲁棒性和稳定性。
范文雪[2]2000年在《精馏塔动态数学模型的建立、仿真及控制的研究》文中研究指明本文围绕精馏过程装置精馏塔展开了对其动态数学模型的建立、仿真及其控制的研究，主要内容及结果如下： 1、应用平衡级原理，建立了精馏塔动态仿真模型。本文通过对精馏塔及相关设备的分析与研究，将精馏塔分为六个不同的部分：通用塔段部分、分离罐部分、塔顶与冷凝器部分、循环取热部分、塔釜部分和再沸器部分，分别予以模型化，六者的有机结合形成了一个完整的模型。仿真中选用了变步长的积分方法，并从机理分析入手，对模型进行了合理的简化，使得模型计算时间大大缩短，从而提高了模型的实用性。通过编程仿真证明，该模型能够比较准确地预测精馏塔在各种干扰和操作条件下的动态行为，与实际情况趋势一致，其稳态结果与实际变化趋势也比较吻合，因而对于控制系统的分析和设计具有一定的指导意义。 2、采用频率分析的方法对循环取热部分的模型进行了简化。对于由偏微分方程所描述的管壳式换热器和输送管线，该方法在将其简化为常微分方程加滞后环节的数学模型的同时，还保留了装置和物流的物理特征，为仿真计算和实时控制提供了条件。该模型是精馏塔整体模型的重要组成之一。 3、对精馏塔的可控性和可观性进行了分析。精馏塔的可控性与可观性对生产的操作和控制有很大的影响，但由于其是结构复杂的非线性系统，可供工程设计的实用方法还不多见。本文采用系统结构分析方法对精馏塔的可控性与可观性进行了分析，为在设计阶段对精馏塔进行可控、可观性分析提供了一个有效的工具。 4、对精馏塔的先进控制进行了研究。针对被控变量塔顶温度的控制环境，分析了多个操纵变量的控制特点，提出了采用协调预估控制方案。建立了预估控制算法和塔顶预估控制用模型。通过先进的预估控制技术与传统的PID控制技术相结合的方法，形成了一个性能较高且容易实现的控制系统，在保证对被控变量的控制效果前提下，实现了对操纵变量的优化，即能耗降低。 5、开发了一种由个人计算机组成的精馏过程仿真环境。本人分别在DOS环境下和NT环境下开发了仿真软件。基于DOS环境的仿真软件可用于模拟精馏过北京化工大学硕士研究生学位论文程的各种变化，十分简单。基于NT环境的仿真软件采用了工业组态软件，本系统成本低，配置灵活，具有丰富的软件支持，不仅可以用于开发石油化工培训仿真器，也可作为控制系统软件开发设计的辅助工具。关键词:精馏塔，平衡级模型，可控性，可观性，先进控制，仿真 .…_.、____11一
刘兴高[3]1999年在《内部热耦合精馏塔的建模与优化》文中研究指明内部热耦合精馏塔(ITCDIC)是精馏塔节能研究的前沿。目前，主要是日本和我国在进行研究。研究表明ITCDIC的节能效果与常规精馏塔最小回流比下的能耗相比可节能30％～40％以上，操作费用与常规精馏塔最小回流比下的费用相比可节省近30％，具有极大的工业应用前景和理论研究价值。 其基本原理是：精馏段和提馏段被分为两个塔，热耦合通过两段之间的热交换来实现；为了提供传热必须的推动力，精馏段将在较高的压强下进行操作，为了调整压强，两段之间安装了压缩机和调节阀；由于内部热耦合，使精馏段产生向下的液相流，提馏段产生向上的蒸汽流，从而可以减少热负荷甚至去掉常规的再沸器和冷凝器，达到节能目的。 本研究课题属于国家环保局1997年中日环境保护正式合作项目，项目14，“在石油企业进行节能及减轻环境负荷的研究”，由浙江大学工业控制技术研究所和日本通商产业省物质工学工业技术研究所共同承担(国家环保局，环科科，1997，006号文)，旨在通过合作研究进一步了解内部热耦合精馏过程的操作特性、控制特性，加速内部热耦合精馏过程的开发研究，为工业化奠定基础。 目前，已经完成了ITCDIC过程的理想物系和非理想物系的建模、仿真、控制和集成优化的研究工作。成功地建立了ITCDIC过程的稳态和动态数学模型、操作参数的集成优化模型；给出了相应的仿真和优化算法；进行了详细的热耦合机理、操作特性、动态品质和参数优化研究。为进一步的理论研究、中试和工业化奠定了扎实的基础。研究成果已处于国际领先水平，并开发出了相应的系列软件。主要内容如下： ● 提出了一个新的ITCDIC过程数学模型并给出了相应的仿真算法，通过对该模型的仿真不仅可以得到ITCDIC静态和动态操作特性，而且可以得到与常规精馏塔相较的比较特性，比如节能百分率、热力学效率上升百分率。
于丙芹[4]2011年在《面向自动化系统验证的通用板式精馏塔动态建模与仿真的研究》文中研究表明化工过程的建模与仿真对于化工操作和工艺设计具有重要的指导意义。精馏塔动态数学模型的建立与仿真,不仅可以研究精馏过程在不同工况下的变化,而且还可以用于研究精馏塔的优化控制方案,进而提高精馏过程的生产效益。本文首先研究了精馏过程中用到的一些基础物性的计算方法,包括汽相焓、液相焓、活度以及汽液平衡温度等。其次以连续板式精馏塔为例,应用平衡级原理,建立了精馏塔的动态机理数学模型。通过对精馏塔结构的分析和研究、以及对精馏过程的分析,将精馏塔分为六个部分：再沸器、塔釜、塔板、进料板、侧线采出板、冷凝器,每个部分看成是一个相对独立的过程,对每一部分用MESH方程组(物料平衡方程、相平衡方程、摩尔分数归一化方程、能量平衡方程)建立机理数学模型,从而组成比较通用的精馏塔机理模型。另外,我们对精馏塔的开车过程及雾沫夹带现象进行了理论分析,并建立了开车过程及发生雾沫夹带时的数学模型。论文最后,对建立的精馏塔动态机理模型进行了仿真实现,并通过改变精馏塔再沸器蒸汽量、进料流量及组成等操作变量对精馏塔进行扰动实验,研究了精馏塔组分浓度等的相应变化,从而了解精馏塔操作过程的动态特性。本文中的精馏塔通用模型从机理分析入手,对模型进行了合理的简化,使计算时间大大的缩短,从而使模型具有比较广泛的实用性。仿真结果表明,所建立的动态模型能较好的模拟精馏塔的动态特性,还能比较准确的预测精馏塔在各种扰动条件下的动态变化趋势,其稳态结果与实际情况也基本吻合。因此,该模型对于仿真培训及精馏过程的控制方案分析和设计具有较高的理论研究意义和实际应用价值。
岑科立[5]2007年在《乙苯装置仿真系统开发》文中研究指明本文的工作是以华北油田8万吨／年苯乙烯装置的乙苯单元为背景，开发乙苯装置全流程仿真培训系统。整个系统的开发包括两大主要内容：工艺模型开发和仿DCS系统开发。工艺模型开发通过调用已有单元子模块以及新建的单元模块，建立全流程的信息流程图。仿DCS系统开发包括了点组态、系统画面组态，以及通讯组态。模型和DCS通过变量之间的联系，完成相互的通讯。本文简单介绍了常用单元模型如物流合并、分割算法。还比较详细了阐述了如精馏塔以及反应器算法的实现过程。在建立精馏塔模型时，根据汽液两相传质的动态特性，再根据进出料的情况把实际塔板集总为“塔顶段”、“侧采段”、“进料段”、“塔釜段”等相应的搅拌槽，每段近似抽象为一“虚拟理论级”，每一级汽液达到相平衡。并由此建立了精馏塔动态模型。反应器采用了简化的动力学数学模型，把复杂的反应考虑成只有一个副反应发生，其他副反应产物由正常数据参数辨识得到，这样处理使反应的复杂度大大降低，并且能保证一定的精度，并且使算法大大简化。仿真培训系统运行实践表明，模型的计算结果与装置的实际运行数据非常接近。由于本软件的开发具有较强的机理性，从整体工艺的模拟情况看，整个模拟过程能够很好地反映出装置实际运行情况，具有较好的动态特性，不仅可以用来进行仿真培训，还可用于技术人员对工艺过程的技术改造以及控制系统的研究。
王启林[6]2005年在《化工精制工序中精馏塔建模与仿真的研究》文中研究表明环氧丙烷又称氧化丙烯,作为重要的有机化工原料是丙烯的第三大衍生物产品。近年来我国环氧丙烷需求量增大,而国内环氧丙烷生产能力偏低,满足不了国内的市场需求,主要靠进口聚醚多元醇和丙二醇等环氧丙烷下游产品弥补。因此开发国内环氧丙烷生产技术势在必行。锦州化工集团采用日本旭硝子公司的氯醇化生产技术,环氧丙烷生产能力为12万吨/年,产量居全国第一。整个生产过程分为氯醇化、皂化和精制三个阶段,而精制工序是环氧丙烷生产的重要环节之一。该工序中精馏塔安全、稳定、高效的运行直接关系企业的经济效益。 随着计算机技术的飞速发展,精馏过程的模型化与仿真已成为化工工艺设计和操作分析的主要工具。对精馏塔进行严格动态数学模型的建立和仿真,不仅可以研究在各种工况下精馏过程的变化情况,还能为先进的优化控制方案的选取奠定基础,进而为提高精馏过程生产效益做出贡献。 本文以锦州化工集团有限责任公司环氧丙烷生产过程中精制工序改造的需要为背景,首先对环氧丙烷生产过程动态数学模型所需要的基本数学理论和化工反应动态学理论进行了分析;其次,针对分离反应的工作情况,以连续精馏塔为例讨论了精馏过程的内在机理,建立了精馏塔的动态仿真数学模型;然后,将该模型应用于实际连续多相精馏塔,并编程进行了仿真,通过改变精馏塔进料流量、进料组成、加热蒸汽量和回流比等操作变量对该塔进行扰动实验,得到了一系列精馏塔组分浓度变化的过渡过程曲线,对该塔的动态特性进行了实验分析。实验结果表明,该模型能够比较准确地预测精馏塔在各种干扰和操作条件下的动态行为,其稳态结果与实际情况基本一致。因此,本模型对于精馏过程的控制系统分析和设计具有较高的实际应用价值和理论指导意义。
杨伟[7]2006年在《3.5Mt/a常减压装置减压塔建模及仿真研究》文中研究指明题目来源于大庆炼油厂年产350万吨原油的润滑油型常减压蒸馏装置,得到了国家自然科学基金的资助。随着我国石油化工加工能力的不断增加,原油资源已成为限制石油加工工业发展的主要因素。所以对于一套炼油装置应该具备炼制不同型号原油的能力。因为对于不同的原油,其化学组成和物性数据将发生变化,相应的用于原油生产控制的常减压装置数学模型也要随之发生改变。而减压塔是整个装置的一个重要组成部分,因此要求对减压精馏塔从机理上建立数学模型,对其动态模拟仿真,分析原油组分变化时减压塔各侧线产品在塔板上的浓度曲线的变化。本文首先对原油的组成和减压精馏塔各馏分进行了分析和计算。通过化学工艺计算,得到了各馏分的平均分子量和饱和蒸汽压,进而求出其挥发度。其次分析建立了生产过程数学模型所需要的基本数学理论和化工反应动态学理论;然后在了解整个原油生产工艺和炼油流程的基础上采用了一种分段吸收型算法,将减压塔简化成五个串联的子塔段,每个子塔段看成是一个相对独立的吸收过程,对每段分别以MESH方程组建立严格机理下的数学模型。最后使用MATLAB对建立的动态数学模型进行仿真,得到一系列侧线油组分浓度变化的过渡过程曲线,从而了解了减压精馏塔的动态特性。该模型严格地模拟了减压精馏塔的动态行为,模拟了稳态下进料发生变化时减压精馏塔中各塔板上液相浓度变化的曲线。其中选取了拔出率最高的侧二线油份,分析了进料成分发生各种变化的情况下其浓度曲线的变化。因此,本模型对于精馏过程的控制系统分析和设计具有较高的实际应用价值和理论指导意义。
路浩宇[8]2008年在《气体分馏装置的动态模拟》文中认为本文对液化石油气(LPG)气体分馏装置进行了全流程动态模拟,同时为深入了解精馏塔操作特点和行为特性,还对精馏塔进行了动态建模。气体分馏系统主要包括脱乙烷塔、1#丙烯塔、2#丙烯塔、换热器和泵设备、管网、蒸汽发生设备等。本论文在充分熟悉这些设备的基础上,分别建立了这些设备的数学模型并选择了适宜的解法。最终形成的动态模拟软件应用于实际生产装置的实时仿真,取得了良好的结果。该软件的仿真结果与装置的实际生产数据比较接近,基本反映了气体分馏系统整个过程的规律,可对气体分馏工艺过程进行模拟仿真。从整套工艺装置的模拟情况看,模拟过程能够很好地反映出装置实际运行情况,具有较好的动态特性,不仅可以用来进行仿真培训,还可用于技术人员对工艺过程的技术改造以及控制系统的研究。此研究成果己成功地应用于天津沿海某炼油厂气体分馏车间的职工操作培训。在对精馏塔进行动态模拟时,在稳态模拟的基础上,进行合理的假设和简化,应用“超理论级”模型实现了装置中精馏塔的实时、动态仿真。
王红帅[9]2017年在《精馏塔建模及温度的自适应解耦控制研究》文中进行了进一步梳理精馏塔作为石油炼制和化工生产的首要环节,对化工生产系统的安全稳定运行至关重要,一直以来都是是过程控制界关注的焦点。本文立足于工业生产对节能减排、优化控制的强烈需求,针对精馏塔这一高能耗装置的过程模拟和过程控制进行了深入的理论分析和研究。建立了精馏塔系统的通用型动态仿真模型,并根据动态响应问题,针对其控制系统中存在的耦合性问题进行了进一步的分析讨论,并设计了相应的控制方案。基本内容如下:首先对精馏塔的精馏原理进行了简单的介绍,并结合精馏塔的控制目标对精馏过程的静态特性进行了分析,根据各个变量间的关联性,确定了基本的控制量与被控量关系,为进一步研究精馏过程的动态响应过程,根据物料及能量平衡,以平衡级假设为基础,通过对泡点温度、热焓值等热力学参数的计算建立了提馏段和精馏段的塔板模型、塔顶冷凝器以及塔底再沸器的数学模型,结合相平衡关系和摩尔归一化方程等约束条件,实现了精馏过程的模型化。利用MATLAB进行编程仿真,仿真结果表明该模型可以很好的实现各个组分变量不同状态下的动态响应情况,变化趋势及稳态结果与实际情况比较吻合,对于工艺的优化设计及控制系统的分析均具有一定的指导意义。精馏塔是典型的多输入多输出的多变量系统,通过对其动态模型的仿真分析可以发现系统具有非线性、滞后性和时变性的特点,并在传统控制下,精馏塔两端温度控制系统存在严重的耦合特性。本文针对其耦合性拟采用前馈解耦的控制方式对其进行解耦控制,在模型精确的情况下该控制器取得了比较理想的控制效果,但是,在模型失配状态下很难实现比较理想的解耦控制效果。针对传统的前馈解耦控制中存在的弊端,本文提出采用一种基于改进粒子群的神经网络PID算法进行解耦控制,利用神经网络超强的自适应和自学习能力能够任意逼近任一复杂的非线性系统,具有对一般问题的泛化能力,来解决对被控制对象的精确数学模型过于依赖的问题。同时利用改进粒子群算法的快速寻优的能力对神经网络的初始权值进行优化输出,提高神经网络的学习速率,实现控制系统的快速收敛,达到广义解耦的效果。基于以上研究成果,本文利用某企业的燃料油常压蒸馏实训装置做为实验手段,对装置进行现场开车到稳态运行的实际操作,对不同控制器下的运行状态进行了对比分析。运行结果表明,本文所设计的基于改进粒子群的神经网络PID控制器可以应用于工业控制中,实现精馏塔两端温度控制的有效解耦,提高系统的稳定性,对于研究多变量系统的耦合问题具有一定的实际指导意义。
武国松[10]2010年在《简化设计对理想热耦合精馏塔（HIDiC）性能的影响》文中提出以内部热耦合技术为基础的理想热耦合精馏塔(ideal heat-integrated distillation column, HIDiC)作为精馏塔的一个前沿发展,近年来高效率低能耗的特性备受研究学者的青睐。尽管理想HIDiC的概念上世纪就被提出,但对其的研究都停留在理论阶段没有实际应用到化工过程。究其原因是在精馏塔内部设计和应用热耦合技术时,管壳内部狭小的空间造成了障碍。因此,对于更易设计与应用的HIDiC简化结构的研究有其必要性。从实际的观点考虑,用三个外部换热器近似代替HIDiC精馏段和提馏段之间的耦合部分在理论上是可行的。为此本文提出了理想HIDiC(简称S-0)的三种简化设计。一种是精馏段和提馏段的顶部,中间和底部分别设置换热器的设计(简称S-1)；一种是顶部和中间换热器都设置在精馏段顶部塔板,提馏段顶部蒸汽经压缩与提馏段底部换热构成底部换热器的设计(简称S-2)；另一种是顶部、中间和底部换热器都设置在精馏段顶部塔板的设计(S-3)。对理想HIDiC以及三种简化设计分别建立相对应的稳态数学模型和动态数学模型,进行综合与设计,并以乙烯乙烷二元理想物系分离为例,从固定传热面积和精馏段顶部压力两个方面对三种简化设计进行模拟仿真,研究简化设计对理想HIDiC性能的影响。结果表明S-1的静态性质不如S-0,但动态特性得到了改善。S-2和S-3设计可以减小操作费用和操作费用,但相比于S-1的动态可控性变差。尽管通过增加换热器的面积能够减少操作费用,但简化设计加强了顶部回路和底部回路的交互性,恶化了系统的动态特性和可控性。为了得到更有效的HIDiC的简化设计,应该合理考虑过程综合与设计和系统动态特性与可控性的均衡。
参考文献：
[1]. 二元板式精馏塔建模与多变量预测函数控制研究[D]. 曾志伟. 北京化工大学. 2013
[2]. 精馏塔动态数学模型的建立、仿真及控制的研究[D]. 范文雪. 北京化工大学. 2000
[3]. 内部热耦合精馏塔的建模与优化[D]. 刘兴高. 浙江大学. 1999
[4]. 面向自动化系统验证的通用板式精馏塔动态建模与仿真的研究[D]. 于丙芹. 北京化工大学. 2011
[5]. 乙苯装置仿真系统开发[D]. 岑科立. 北京化工大学. 2007
[6]. 化工精制工序中精馏塔建模与仿真的研究[D]. 王启林. 大连理工大学. 2005
[7]. 3.5Mt/a常减压装置减压塔建模及仿真研究[D]. 杨伟. 哈尔滨工业大学. 2006
[8]. 气体分馏装置的动态模拟[D]. 路浩宇. 北京化工大学. 2008
[9]. 精馏塔建模及温度的自适应解耦控制研究[D]. 王红帅. 燕山大学. 2017
[10]. 简化设计对理想热耦合精馏塔（HIDiC）性能的影响[D]. 武国松. 北京化工大学. 2010
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