试析一种新型甲醇双效精馏系统建模、动态行为与控制的若干问题研究

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1、浙江大学材料与化学工程学院硕士学位论文一种新型甲醇双效精馏系统建模、动态行为与控制的若干问题研究姓名：周志超申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：吴嘉20080515浙江大学硕上学位论文摘要甲醇是仅次于烯烃和芳烃第三重要的基础化工原料。近年来甲醇在新型能源特别是燃料电池和汽车燃料方面的用途得到了良好的开发，其需求萤与产能也随着新用途的开发迅速提高。在合成甲醇工业生产过程中，粗甲醇的精制不仅是决定甲醇产品质量的重要T序，而且也是影响甲醇生产成奉的关键因素之一。因此甲醇精制T艺节能和节水研究，是具有重要的实际意义。随着全球能源危机所引起的成本压力，目前

2、我国普遍采用节能型的三塔双效精馏工艺精制甲醇。本文的研究对象是2005年吴嘉和陈露提出的一种新_!I!!双效精馏工艺(NLSF)，与传统的工艺相比，新工艺能够节约能量24．7％，节约软水约38．O％。但是同时新工艺增加了系统的耦合程度，加强了两个塔之间的关联性，提高了系统对于进料波动的响应的复杂性，给控制带来了很大的难题。为了能够实现新工艺的工业应用，对新T艺进行详细的动态行为研究和可控性分析是必须的。本论文展开了严格机理模型的建立、模型参数寻．优、动态行为研究、可控性分析和闭环动态响应的比较以及与文献中提到的两种典型的双效精馏工艺(LSF和FS)进行

3、对比。详细内容包括：1．热集成双效精馏T艺的稳态和动态机理模型方法的介绍。在建立机理模型过程中充分考虑到新工艺操作变量相互耦合的复杂性，利用商业模拟软件AspenP1us与AspenDynamics建立了新工艺的稳态和动态模型。为了使模型严格可靠，精馏塔模拟采用了考虑水力学影响的RADFRAC模块，精馏塔的换热器和冷凝器都采用独立的换热器Hea仅模块，并以实际甲醇精制工艺中的设备参数和进料参数为模型参数。2．为了对三种工艺稳态模拟结果进行比较，必须首先解决操作参数求解的问题。热耦合双效精馏系统优化是一个强约束下多变量优化的难题，本论文采用模块化结合分布

4、式遗传算法实现稳态最优化设计，求出LsF，FS和NLsF三种工艺操作参数。并对优化后三种T艺的能耗和产品质量进行分析比较。3．对于NLSF这种热耦合双效精馏结构，系统中变量之间的耦合非常严重，为了建立合适的控制方案，必须对系统的动态行为进行研究。本论义对系统对于进料扰动和操作变是扰动的丌环动态响应进行详细研究，观察系统变景之问相互关系，总结新T艺的开环动念特性，并结合实际情况建立合理的控制策略。4．分析和比较新T艺的不同控制方案的控制效果，进行可控性分析是必须的。本论文采用一些相关的准数对系统进行可控性分析，利用可控性分析结果浙江人学硕上学位论文对控制

5、方案的控制效果进行预测。以几种进料扰动为代表，比较新T艺4i同控制方案下的闭环动态响应，对可控性分析的结果进行验证并选出最优的控制方案。5．为了更加深入的了解新工艺的动态行为特点和指导甲醇精馏工艺的选择，本论文对LSF，FS和NLSF三种工艺分别建立不同的控制策略，进行了可控性分析和闭环动态行为的研究，选择出最佳的控制方案。并在相同的进料扰动下，比较在各自最优控制方案下三种工艺的动态响应曲线。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。关键词：精馏，动态模拟，可控性分析，热集成，甲醇，过程控制浙江大学硕十学位论文符号说明口—答顶精馏量，培·

6、∥EfF一莫弗里板效F_进料流量，堙·办-1G——进料板的位置缮——侧线出料位置艮—棚0线出料量，堙·^。1婚——塔板数p——塔顶压力，卸a△k全塔压降，七pa9—菩釜加热蒸汽量，堙·JIi_1R一凹流比V§一上升蒸汽晕殷L_搭釜出料水浓度艘卜塔顶出料甲醇浓度解L进料甲醇浓度灯彤一进料水浓度下角标J——高压塔k低压塔口’——最小奇异值7+——条件数一64—浙江人学硕士学位论文烯酸甲酯消费4％、甲胺消费3％、对苯二甲酸二甲酯消费1％，还有其他杂项消费占14％。自从美国加州率先在汽油调和中禁用MTBE以来，已有25个州相继效仿，从而影响到美国甲醇的消费和生

7、产。近年来，美国的甲醇消费景以年均3．5％的速度递减，据估计，美国的甲醇需求景，大约已经减少了150×104t。但禁用MTBE，实际上只是导致产能下降的霉￡；刚掣茧艳酗匿曼些鋈奠羹i蓄并堂霉将桶捱彗夔蓁力堕鼋滴型；冀磊妻l篓器嶷裂n骅盔辍篓蠢矍!赁黼渣毛粢州简薹舔襞隳吼剥鸶斟粤星薹；蠢曩托蜊弛墟蓁消费璧墼霪冀垂熄删碑专茹澎趱；萋薷螽蹄拦邕蕞舀篓；雾断擎薹M嚣掣；奏馥晌需求j私堑囊躺氍黼篇躺，卓庄声囊，雨罐墒霪掣生玉篓蛳勘聪黯盟；型翥嚣鞴要薹雾害K匿冀讦。F蓁霉锚；咩窭藿“酱篓基磊落业对于甲醇的需求量约为260～300万吨。根据上面的统计，“十一五”期问

8、，我国将至少新增甲醇产能1200万吨／年，若其余7个拟建项目能够顺利投产，则20lO年，我国甲