復雜分離過程模擬與優(yōu)化中的若干問題研究.pdf

1、典型的化學工業(yè)裝置由核心反應過程和相關的原料預處理/產品分離過程構成，分離過程是過程裝置中獲得較高純度的產品所不可或缺的重要單元。本文對工業(yè)生產中具有大規(guī)模、高純度、強耦合和變工況等特征的復雜分離過程進行了建模、求解和優(yōu)化研究，并應用于工業(yè)裝置生產過程。論文的主要工作包括以下幾個方面：
　　 (1)修正高純度熱力學模型，改善氣液平衡過程計算精度。以多級氣液平衡過程為主的分離過程是生產高純度產品的重要單元操作，它不同于普通分離過程

2、的一大特點是在高濃度區(qū)有著很強的非線性特征，由于常規(guī)氣液平衡實驗很難在高純度條件下進行，常規(guī)的外推方法用于高純度體系的熱力學模型時誤差較大。論文提出了使用工程數(shù)據(jù)回歸熱力學參數(shù)的準則和方法，并證實了熱力學參數(shù)對高純度體系分離過程的影響要遠遠大于普通物系。針對這一情況，本文討論了受過程不確定性影響的熱力學參數(shù)估計方法，并采用工業(yè)裝置數(shù)據(jù)進行驗證。
　　 (2)針對有擾動的分離單元建立進料觀測器?；み^程會受到裝置中各種因素影響以及

3、用戶產量需求變化而發(fā)生波動。如果進料偏離設計值而設備仍然采用原始設計條件操作，那么設備就很難維持在一個優(yōu)化的操作點。當進料不可測時，很有必要為多級分離過程建立一個進料觀測器以幫助過程優(yōu)化。本文以機理模型為基礎，提出了使用塔板溫度分布預測精餾塔進料的軟測量技術，并對該技術的可行性進行了理論分析與仿真驗證。
　　 (3)提出改善大規(guī)模變工況模擬與優(yōu)化問題收斂效果的回溯同倫技術?；ぱb置中的大規(guī)模和熱耦合特征給系統(tǒng)模型求解帶來很大困難

4、，大量設備熱耦合導致模型約束大量增加，模型變得復雜。各種牛頓法及改進牛頓法以梯度法為特征，收斂速度很快，但是對初值的要求比較高。變工況操作時，很難保證過程模擬和優(yōu)化計算始終收斂。本文提出了一個基于回溯機制的同倫算法用于大范圍過程計算，通過表征不同工況的變工況參數(shù)構造同倫計算路線，改善了牛頓法對初值要求高的缺點。
　　 (4)研究了低溫精餾空分裝置變負荷控制系統(tǒng)中的優(yōu)化問題。低溫空分是用于大規(guī)模生產高純度氮、氧、氬產品的工業(yè)過程，

5、幾乎具有本文所研究的復雜分離過程的所有特征，如大規(guī)模、高純度、強耦合和變負荷等，是典型的復雜分離過程。針對兩套典型的工業(yè)低溫空分裝置——內壓縮和外壓縮無氫提氬制氧流程，本文進行了建模、求解和優(yōu)化工作，討論了空分裝置的熱力學參數(shù)估計，并探索了適用于工業(yè)裝置的模型變量設定和數(shù)據(jù)調和方案。在此基礎上，本文使用HBM解決了RTO計算的關鍵問題，包括空分裝置的變負荷可行域求解方法、熱耦合所引起的變量不連續(xù)問題的收斂和不等式約束的同倫處理方法。針對