（系统工程专业论文）精馏节能过程的wave非线性动态建模与非线性控制策略研究.pdf

摘要 精馏节能控制一直是国际节能控制研究的重点和热点内部热耦合精馏塔 节能潜力可达常规精馏塔的3 0 以上，具有极大的应有前景。由于内部热耦合 精馏过程具有强耦合、强病态、强不对称性、强反向响应等复杂非线性动态特 性，其控制设计一直是阻碍该高效节能技术商业化的瓶颈问题。目前常规控制 方案如p i d ，内模控制等即使能够控稳热耦精馏节能过程，但控制质量不好， 特别是在高纯时目前已报道的各种控制方案难以适用，究其原因可能在于近似 线性模型、基于数据辨识的统计模型等不能有效描述热耦合精馏过程的复杂动 态特性，导致基于传统模型的各种先控方案对于控制效果的改善也有限。因此 本文首先从内部热耦合精馏过程的非线性动态建模工作做起，然后建立内部热 耦合精馏塔和内部热耦合空分塔的非线性控制策略。 论文主要工作与贡献如下： 1 首次对内部热耦合精馏塔( i t c d i c ) 的w a v e 传播现象进行研究，推导出内 部热耦合精馏塔的非恒摩尔流自然波速、激波波速、波形描述函数等。结 合热耦合关系，建立内部热耦合精馏塔的完整w a v e 非线性动态模型在 w a v e 分析的基础上，首次分析研究内部热耦合精馏塔的干扰脉冲传播特 性，并综合分析内部热耦合精馏塔的不对称动态特性、反向响应等独特动 态特性 2 基于内部热耦合精馏塔w a v e 非线性动态模型以及w a v e 传播特性，建立了 三种一般模型控制、两种广义一般模型控制策略。五种控制策略有效地克 服了内部热耦合精馏塔各种传统控制方案体现出来的控制品质不高、鲁棒 性不强等弊端。五种控制方案都结合了w a v e 模型，很好地解决了控制变 量之间的耦合关联问题，实现了自然解耦。其中，基于振荡波速的改进广 义一般模型控制方案在不牺牲塔底产品纯度的情况下，突破性地将塔顶纯 度控制设定值提高到超高纯领域( 9 9 9 9 9 ) 3 首次研究了内部热耦合空分塔( i t c a s c ) 的w a v e 传播现象，推导出了内部 热耦合空分塔的非恒摩尔流自然波速、激波波速公式。并以液氮液氧的浓 度波形为例，分析了内部热耦合空分塔的波形相干性、干扰脉冲传播等特 征同时，结合w a v e 理论，对内部热耦合空分塔的非线性动态特性进行 了研究，首次发现了内部热耦合空分塔强烈的反向响应等动态特性 4 基于内部热耦合空分塔的开环响应特性研究，设计出了两种不同控制变量 组合下的p i 控制方案，并进一步设计出了有效的i t c a s c 一般模型控制方 案和非线性模型预测控制方案。研究结果表明，一般模型控制方案因为模 型失配问题，干扰控制效果反而较p i 控制效果差；两种p i 控制方案的对 比证明采用侧提流量作为控制变量，虽然能减弱控制回路之间的耦合关系， 但是对塔顶控制效果不是很好；而非线性模型预测控制方案有效地解决了 模型失配的问题，并避免了控制解耦问题，在设定值控制、干扰控制方面 都体现了不错的效果 关键词：内部热耦合精馏塔，内部热耦合空分塔，w a v e 非线性动态建模，非线 性控制策略 a b s t r a c t e n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eak e yp o i n ti nt h ee n e r g ys a v i n gr e s e a r c h a r e a i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o nh a sv e r yh i g he n e r g y 跚v i n gp o t e n t i a l c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o nc o l u m n si tc o u l ds a v em o r e 也a n3 0 e n e r g y h o w e v e r , t h ec o m p l e xn o n l i n e a rd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fi n t e r n a lt h e r m a l l y c o u p l e dd i s t i l l a t i o np r o c e s s e sb r i n g sag r e a tc h a l l e n g et ot h ec o n t r o ld e s i g n t r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g i e s ，l i k ep i d ，i n t e r n a lm o d e lc o n t r o la n ds oo n ，c o u l d h a r d l yc o n t r o li n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o np r o c e s s e s ，t h e c o n t r o l p e r f o r m a n c en e e dm o r ei m p r o v e m e n t t h es t r o n ga s y m m e t r i cc h a r a c t e r , i n v e r s e r e s p o n s ed y n a m i ca n di l lc o n d i t i o np e r f o r m a n c em a k et h ee m c i e n c yo ft h o s e i t c d i cc o n t r o ls t r a t e g i e sr e p o r t e di nl i t e r a t u r ed e c r e a s e ds e r i o u s l yu n d e r h i g h - p u r i t yc o n t r o ic o n d i t i o n s w h i c hi sm a i n l yb e c a u s eo ft h em o d e lm i s m a t c ho f 也o s em o d e l s a sar e s u l t m a n ya d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sc o u l dh a r d l yi m p r o v e t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e i nt h ep r e s e n tw o r k , w a v et h e o r yi se x p l o i t e dt ol o w o r d e r n o n l i n e a rm o d e l i n ga n dn o n l i n e a rc o n t r o l l e rd e s i g no fi t c d i ca n di t c a s c t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 p i o n e e r e di nt h ew a v et r a v e l i n gd i s t u r b a n c ep u l s et r a v e l i n ga n a l y s i so fi t c d i c 也ed e v e l o p m e n to fn a t u r a lw a v ev e l o c i t y , s h o c kw a v ev e l o c i t yw i t hv a r i e d m o l a rf l o wr a t ea n dp r o f i l ed e s c r i p t i o nf u n c t i o na r ec a r r i e do u t ：ac o m p l e t e n o n l i n e a rw a v ed y n a m i c a lm o d e li st h e ne s t a b l i s h e d ；b a s e do nw a v et r a v e l i n g a n a l y s i s ，t h en o n l i n e a rd y n a m i cp e r f o r m a n c el i k ea s y m m e t r i ca n di n v e r s e r e s p o n s ec h a r a c t e ra r ef u t h e re x p l o r e d ； 2 b a s e do nw a v em o d e lo fi t c d i c 。t h r e eg e n e r i cm o d e lc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t w o i m p r o v e dg e n e r a lg e n e r i cm o d e lc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep r o p o s e d ，w h i c hw e l l i m p r o v et h em o d e lm i s m a t c hp r o b l e ma n dr o b u s tp e r f o r m a n c e ，r e a l i z et h e m u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n gf u n c t i o na u t o m a t i c a l l y s p e c i a l l y , t h ep r o p o s e d x g g m cc o n t r o ls t r a t e g yr e a l i z et h es u p e rh i g h - p u r i t yc o n t r o lo fi t c d i cw i t h 9 9 9 9 9 p r o d u c tp u r i t y ； 3 n ew a v et r a v e l i n gp h e n o m e n aa n dd i s t u r b a n c ep u l s et r a v e l i n gi ni t c a s ca r e e x p l o r e d , t h en a t u r a lw a v ev e l o c i t y , s h o c kw a v ev e l o c i t yo fi t c a s cw i t hv a r i e d m o l a rf l o wr a t ea r e 也e nd e v e l o p e d , c o m b i n e dw i t hw h i c h , t h ed i s t i n c tn o n l i n e a r d y n a m i cb e h a v i o rl i k ea s y m m e t r i ca n di n v e r s er e s p o n s ep e r f o r m a n c e a l e e x p l o r e df o rt h ef i r s tt i m e ； 4 b a s e do nt h eo p e n - l o o pr e s l e i o n s ea n a l y s i s ，p ic o n t r o ls t r a t e g i e s ，g e n e t i cc o n t r o l s t r a t e g y ( g m c ) a n dn o n l i n e a rm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y ( n m p c ) o f n a s ca r ef u t h e re s t a b l i s h e d d e t a i l e dc o m p a r i s o nr e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t n m p cp r e s e n tt h eb e s tc o n t r o lp e r f o r m a n c e t h ec o n t r o lq u a l i t yo fg e n e r i c m o d e lc o n t r o ld e t e r i o r a t es e r i o u s l yi nt h er e g u l a t o r yc o n t r o lb e c a u s eo ft h e m o d e lm i s m a t c ho ft h ep o l y n o m i a lm o d e l t h et w op ic o n t r o ls t r a t e g i e ss h o w t h a te m p l o y i n gs i d ee x t r a c t i o nf l o wr a t ea sac e n t r e lv a r i a b l ec o u l dd e c r e a s et h e c o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t r o ll o o p se 伍c i e n t l y , h o w e v e rt h ec o n t r o l q u a l i t yo ft h en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nd e t e r i o r a t e ss e r i o u s l yc o m p a r e dw i 也t h ep i c o n t r o l l e re m p l o y i n gt h ep r e s s u r eo fr e c t i f y i n gs e c t i o na sac o n t r o lv a r i a b l e k e yw o r d s ：i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n s ( i t c d i c ) i n t e r n a l t h e r m a l l yc o u p l e da i rs e p a r a t i o nc o l u m n so t c a s c ) ，w a v eb a s e dn o n l i n e a rd y n a m i c m o d e l ，n o n l i n e a rc o n t r o ls t r a t e g y 2 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：呵 签字e l 期：m 阳年多月盯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿态堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘茔 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 塌叶孙 签字日期：m ，口年多月扩日 导师签名：西降岛 签字日期：x 帕年多月咕 浙江大学硕士学位论文 1 引言 1 1 节能研究背景 能源是经济发展的原动力，是现代文明的基础安全，可靠的能源供应和 高效地利用能源是实现社会经济可持续发展的基本保证。世界各国经济发展的 表明，能源消耗与国民生产总值之间的发展速度成正比关系、因此若要加快国 民经济的发展，就必须保证能源消费量有相应的增长速度反之，如果能源供 应不足，则会影响国民经济的发展，造成巨大的损失由于能源消费急剧增加， 造成能源供应紧张，而容易被利用的能源资源有限，因此，世界各国都在积极 寻找各种方法，更加有效地开发和利用能源。在我国，过去的2 0 年里能源消费 量随着经济的发展已翻了一番，能源问题已经成为制约我国可持续发展的重要 问题之一【陈听宽，1 9 8 8 。 经过五十多年的发展，我国化学工业已经具有相当的工业基础成为经济发 展的重要支柱，化学工业成为工业部门中的第一用能大户而化学工业中煤、 石油、天然气等既是化学工业的能源，又是化学工业的原料，这一特点导致节 能工作在化学工业当中具有非常重要的意义 节能就是应用技术上可行、经济上合理、有效地利用能源节能实质为有 效地发挥能源的作用，使同样数量的能源提供更多的有效能。目前我国能源利 用效率约为3 2 ，比先进国家约低1 0 个百分点；而工业的能源利用率仅为美 国和日本的一半左右，我国化学工业的能源利用率每提高1 即可节省1 5 0 万 吨标准煤 冯霄，2 0 0 9 我国化学工业大约有4 0 的能耗用于分离过程，如精馏，吸附，萃取，结 晶膜分离等。石油化工工业广泛应用分离过程，精馏操作是作为非常耗能的一 个单元操作，约占石油化工行业的5 0 【刘兴高，2 0 0 6 1 ，因此提高精馏过程的 能源利用效率对于工业节能具有重要的意义传统精馏塔必须由冷凝器，再沸 器提供大量能源获得气液相流，其耗能问题历来就是精馏研究领域的焦点随 着精细化工的日益发展，高纯产品需求量不断增加，传统高纯精馏不惜大幅降 低能量利用效率，获取高纯产品，比如增大回流比，降低生产能力，提高动力 1 引言 消耗等精馏过程的低效能问题也因此越来越突出，已经成为当前整个化工行 业节能研究领域的燃眉之急 精馏过程的高耗能低能量使用效率很大程度上由工艺过程本身复杂特性决 定目前精馏过程的节能研究主要有工艺设备节能与控制节能两大方面对于 同一生产目的，采用不同的工艺方法和设备，其能耗也不同若将精馏塔由板 式塔改为规整填料塔，就可以降低塔的压降，减少塔底与塔顶的温差，提高生 产能力，减少回流比，减少动力消耗但是工艺和设备节能技术研究周期长， 投资大，更新换代慢，短期内很难商业化规模投产 为了搞好精馏过程的节能工作，必须加强操作控制产品纯度控制的精确 度不够是引起过程能量损失的一个主要原因。若产品不合格一方面造成大量原 料浪费，另一方面也导致大量的能耗浪费，所以一些设备留有很大的设计裕度， 使产品的纯度高于要求浓度。但是设计裕度越大，能耗增加越多，特别在高纯 精馏过程中，能耗增加尤为显著在生产过程中，各种操作变量波动在所难免， 若生产控制优化能够根据不同的操作条件，及时提供控制操作优化，将带来很 好的节能的效果目前计算机技术的迅猛发展为控制优化研究工作带来了极大 的便利，与工艺设备节能技术开发对比，精馏过程的控制节能投资小，潜力大， 效果好，是大有发展的节能途径 1 2 精馏节能技术 精馏是分离互溶液体混合物的最常用的方法，也是化学工业中最大的耗能 操作液体均具有挥发而成为蒸汽的能力，但各种液体的挥发性彼此不相同， 精馏就是利用这一点使其分离。一般精馏塔塔底设有再沸器，加热塔底液体， 使其蒸发产生上升蒸汽，塔顶设有冷凝器，将塔顶蒸汽冷凝为液体塔内下降 液体与上升液体逆流接触实现低沸点组分蒸发和高沸点组份冷凝精馏过程是 不可逆过程，热交换过程中的能量损失主要由以下不可逆性引起：l 、流体流动 阻力造成的压力降；2 、不同温度物流间的传热或不同温度物流的混合；3 、相 浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流的混合 目前工艺技术方面精馏过程主要有下列几种节能方法： 一预热进料 4 浙江大学硕士学位论文 精馏塔的馏出液、侧线馏分和塔釜液在其相应组成的沸点下采出作为产品 或排出液但是在后续处理中常常需要冷却利用这些液体所放热量对进料进行 预热是历来最简单的精馏节能方法之一 二塔釜液塔顶蒸汽余热利用 塔釜液的余热除了可以直接利用其显热预热进料外，还可将塔釜液的显热 变为潜热来利用塔顶蒸汽的冷凝热是比较大的回收利用方法有直接热利用， 余热制冷或者余热发电等 三多效精馏 多效原理广泛适用于所需温差小于实际热源与实际热阱之间温差的过程。 由于精馏过程可以是塔顶产品也可以是塔底产品的多效精馏，因此多效流程可 以有多种设计，无论哪种设计，两效精馏耗能与单塔精馏耗能相比都要减少 3 0 - 4 0 空气分离的低温精馏过程一般采用林德双塔的两效精馏。实际上多 效精馏受到各方面的因素影响：首先效数受投资影响，塔数随效数成倍增加 同时效数增加导致热交换器温差变小，迫使传热面积增大，增加了硬件投资费 用其次，效数受到操作条件的限制，比如临界压力和温度、热源的最高温度 以及热敏性物料的许可温度等。 四热泵精馏 热泵精馏类似于热泵蒸发，把塔顶蒸汽加压升温，并返回用作本身的再沸 热源，回收其冷凝潜热由于塔顶和塔底的温度差是精馏分离的推动力，而且 塔板压力损失也加剧了塔釜温度的上升，塔顶蒸汽加压升温到塔底热源的水平， 耗能较大，因此热泵精馏适用于沸点相近，塔顶塔底温差不大的组分分离。 五增设中间再沸器和中间冷凝器 温度是热能品质的度量，即时热负荷在数量上没有变化，如果温度分布发 生了变化，就有可能减少不可逆损失中间再沸器把加热量分配到塔底和塔中 间段，中间冷凝器把热负荷分配到塔顶和塔中问段，能够达到节能目的，但是 增设中间再沸器与塔底再沸器使用同样的热源，中间冷凝器与塔顶冷凝器使用 同样的冷源，那么增设中间再沸器与中间冷凝器也就不会产生任何节能效果， 反而浪费了硬件投资 六热耦精馏 5 1 引言 热耦精馏就是通过气液互逆流动接触来直接进行物料输送和能量传递的流 程结构，与常规精馏过程相比省去了冷凝器和再沸器热耦精馏在热力学上是 最理想的系统结构，既可节省设备投资，又可节省耗能节能研究表明，热耦 精馏比两个常规塔精馏节能达2 0 - 4 0 所以热耦精馏从2 0 世纪6 0 年代提出 以来，受到广泛注意和大量研究但是热耦精馏并未在工业中获得广泛应用， 这主要由于主、副塔之间气液分配难以在操作中保持设计值分离难度越大， 对气液分配偏离的灵敏度越大，操作越难以稳定，对控制的设计也造成极大的 困难 除以上介绍的几种节能技术外，精馏操作中还可以通过以下方法节能：l 、 进料板出料板位置优化；2 、操作条件优化；3 、通过使用高效塔板或高效填料 提高塔效率；4 、减小回流比；5 、设计多股进料，侧提出料口但大多数节能 方法需要依据工艺条件限制，考虑分离物系特征，充分利用精馏过程中的特性 以及产生的能量。节能的工艺设计业对控制方案的设计提出了较高的要求，比 如减小回流比容易引起精馏系统发生不稳定现象，因此采用此方法的时候，为 得到稳定的分离产品组成，必须改善控制系统 1 3 内部热耦合精馏节能技术 内部热耦合精馏节能技术具有极大的应用前景，其巨大的节能潜力吸引着 国际各级组织，研究机构不断投入大量人力物力对内部热耦合精馏过程进行概 念设计，操作优化，控制设计等方面的研究内部热耦合技术已经成为精馏塔 节能技术的关键所在 图1 1 给出了内部热耦合精馏塔( i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o n c o l u m n s ，i t c d i c ) 的结构示意图。内部热耦合精馏技术将常规精馏过程的单 塔分为两个存在热交换的子塔，习惯上分别成为精馏段和提馏段由于气液相 摩尔流由热量耦合提供，内部热耦合精馏塔省去了常规精馏塔中的再沸器冷凝 器两个环节，大量的能量被重复利用，大大降低了精馏塔的能耗为了实现热 量从精馏段传递到提馏段，精馏段的压强和温度必须确保高于提馏段图1 1 中压缩机和节流阀作用在于保障精馏段与提馏段的压力差 与常规精馏塔相比，内部热耦合精馏塔的操作线为曲线，尽管这一区另0 导 6 浙江大学硕士学位论文 致常规精馏的诸多动态分析方法，建模方法无法应用于内部热耦合精馏过程中， 但是由于操作线更加接近平衡关系曲线，同样的传质任务，内部热耦合技术所 需的传质推动力比在最小回流比情况下的常规精馏塔小得多所以内部热耦合 技术在过程操作中能够表现出更高的能源使用效率日本相关机构的研究以及 国内刘兴高教授的研究都表明：与最小回流比下的常规精馏塔相比，1 t c d i c 能 够节省3 0 以上的能耗和操作费用。 图1 1 内部热耦合精馏技术从二次回流与蒸发原理( s e c o n d a r yr e f l u xa n d v a p o r a t i o n ，s r v ) 发展而来美国西北大学的r i c h a r ds h m a h 教授在1 9 7 7 年 提出s r v 技术该技术首次把原先完整的常规精馏塔分成了两个之间存在热量 交换的部分。为了实现热量从精馏段传递到提馏段，必须确保精馏段具有更高 的压强和温度。所以s r v 精馏节能技术也装配了压缩机和节流阀，用来调整精 馏段和提馏段的压差精馏段和提馏段的热量耦合，可以用来产生提馏段的上 升蒸汽流和精馏段的下降液体流冷凝器和再沸器的热负荷被显著降低，从而 大幅度降低了精馏塔的能耗 内部热耦合技术在s r v 节能原理的基础上完全省略了冷凝器和再沸器，使 热耦节能潜力发挥到最大。多种实验研究表明i t c d i c 结构可行，也因此自m a h 教授的研究报道之后，内部热耦合技术得到国际上巨大的重视近些年有下列 知名学者研究机构的研究报道： 日本新能源中心，教育部1 9 9 7 至2 0 0 0 ，n a k i w a 博士，t a k a m a t s u 博士， n a i t o 博士等人先后发表了热集成技术的节能仿真分析n a k a i w a 1 9 9 7 在苯 7 1 引言 甲苯物系分离过程的仿真过程中应用热集成节能技术，实验表明采用热集成技 术后，精馏塔总耗能节省6 0 e 2 上同年t a k a m a t s u 博士提出一种理想的热集 成精馏塔，并且对其节能潜力进行了仿真研究。1 9 9 8 年n a k a i w a 等人重新对这 种理想热集成精馏塔的节能潜力进行了系统研究理想热集成精馏塔主要能量 消耗在提升精馏段压强操作过程中，主要通过控制精馏段与提馏段的耦合热量 进行控制；n a i t o 2 0 0 0 博士着重研究了热集成节能精馏塔的操作分析，仿真研 究表明即使没有冷凝器和再沸器，热集成精馏塔过程仍能保持稳定 h u a n g 从2 0 0 5 年至2 0 0 8 年也一直从事着热集成精馏塔的概念设计研究。 h u a n g 2 0 0 5 在反应精馏过程中尝试采用热集成节能技术，研究证明通过合理配 置反应操作流程和分离操作流程，选择适当的进料位置，热集成节能技术同样 能够给反应精馏过程带来巨大的节能潜力；2 0 0 6 年h u a n g 继反应热集成精馏操 作耗能分析之后进一步公开了热集成反应精馏塔的动态特性分析研究表明当 产品浓度设定值有较大改动时热集成反应精馏系统动态性能将有大幅下降，产 品浓度控制出现较为严重的偏离。2 0 0 8 年h u a n g 提出在p s d 中应用热集成节 能技术的概念设计，在p s d 的高压塔和低压塔之间应用热集成技术，仿真研究 表明这一节能措施能够带来较大的经济效益 国内刘兴高教授从1 9 9 7 以来一直从事热集成节能技术的研究，先后与日 本，荷兰和英国等国的研究小组建立合作关系l i u 2 0 0 0 首次提出理想内部热 耦合概念( i t c d i c ) ，并从概念设计的角度对i t c d i c 的节能潜力，经济效益 作出了分析，苯甲苯，水乙醇物系的i t c d i c 研究表明i t c d i c 的节能潜力能 够达到3 0 以上2 0 0 1 年，2 0 0 5 年，l i u 先后对i t c d i c 的操作特性，先控策 略，优化设计等方面进行了大量独特的研究，并首次发现了i t c d i c 的反向响 应等一系列典型动态特性，并针对这些严重的非线性特性设计了基于p i d ，内 模控制，预测控制的先进控制方法 荷兰的o l u j i c 博士 2 0 0 6 提出沸点相近聚合物分离过程的热集成节能技术 概念设计，并结合现场数据分析这种新型节能方案的经济效益；英国曼彻斯特 大学的g a d a l l a 博：k 2 0 0 7 - 与o l u j i c 学者基于热力，流体动力学基础上提出一种 新型的热集成精馏塔的概念设计，在精馏部分与提馏部分的各块塔板建立热耦 合关系，在a s p e n 过程仿真中研究了几种不同的概念设计 浙江大学硕士学位论文 除此之外早期美国的f i t z m o r r i s 博士对热集成技术的节能潜力做了研究， s h i m i z u 博士对热集成过程的动态性质和先进控制作出了探索，巴西的b a s t a 博 士和m e i r e u e s 博士在萃取精馏过程上应用了热集成节能技术。 尽管国际上对热耦合精馏塔的研究已经有近二十年的研究历史，但是公开 报道的研究成果并不多。目前的公开研究结果主要集中在热耦合节能技术的节 能潜力，经济效益分析，各种精馏过程的应用概念设计等方面至于具体的动 态特性研究以及控制方案的研究设计一直鲜有报道事实上，热耦合节能精馏 过程的控制设计一直是该技术商业化应用进程中的瓶颈问题。目前国际上也只 有黄克谨教授，祝育，n a k a i w a 等学者公开了较为深入的热耦合精馏过程控制 研究结果，但其他有关热耦节能精馏过程先进控制，非线性控制等研究报道还 相当缺乏 1 4 热耦精馏的控制设计 精馏节能过程具有大时间常数、不对称性、操作变量耦合性等复杂动态特 性，通常被称为病态系统 z h u , 2 0 0 5 这些复杂的非线性特征导致精馏过程的 控制设计较为困难精馏工艺过程，设备在化工工业节能要求与产品纯度要求 越来越高的大背景下，也不断发展，但是节能技术，产品的高纯要求，给本来 便很棘手的精馏控制设计带来更多的挑战目前，内部热耦合精馏塔的概念设 计已经有多种应用，比如反应精馏热祸合节能塔，多组分分离热耦合塔等，但 内部热耦合控制方面的研究大多还停留在基于p i d ，内模控制等传统控制方案 中下面列出一些相关研究报道： n a i k a w a 1 9 9 8 博士对热耦合精馏塔的五种基础控制方案设计：包括单回路 多回路p i d 控制系统，多变量内模控制系统，改进多变量内模控制系统和非线 性模型控制系统实验研究表明非线性模型控制系统具有最好的控制系统，能 够稳定地实现设定值控制并且有效地抑制干扰；改进的内模控制器性能略差， 对于进料干扰的控制，稳定间较长一些；多回路p i d 控制虽然能够实现稳定控 制，但稳定时间等指标方面都不是很好，而内模控制与单环p i d 控制基本很难 取得稳定的控制效果 黄克谨教授 2 0 0 0 针对含有冷凝器及再沸器的广义热耦合精馏塔，即采用 9 1 引言 s r v 原理的节能精馏塔进行了控制研究探索研究中分别以精馏塔的两种回流 比，以及精馏段压强和进料热状况这两组控制变量实现了广义热耦合精馏塔的 控制设计对比结果表明广义精馏塔控制选取回流比作为控制参数具有最好的 效果，但精馏段压强与进料热状况仍然是一组非常有效的控制变量，在多变量 控制方案中也体现了不错的控制品质。2 0 0 1 年黄克谨教授对高纯内部热耦合精 馏塔的双精度控制做了深入研究通过结合多种模型并采用前馈补偿等方法建 立的控制系统能够显著提升对于严重干扰的控制情况，并且在保持较高精度的 控制效果的同时具备很好的鲁棒性。2 0 0 7 年黄克谨教授采用温度控制主要实现 了含有进料预热环节的热耦精馏塔控制方案，以预热器的热质流量和蒸馏物流 量作为控制变量，本质上仍然采用控制精馏段压强和进料热状况为控制变量， 研究结果表明这种控制方案同样能够获得较稳定的控制结果，控制余差也较小； 同年黄克谨教授也对相近沸点的三元物系两效热耦精馏过程进行了概念设计， 并给出了简单的控制方案 刘兴高教授率领的科研小组对内部热耦合精馏塔的动态性能分析，数学建 模和先进控制方案等方面作出了深入的研究祝育 2 0 0 4 首次实现内部热耦合 精馏塔的自适应预测p i d 控制方案，并且给出了一种结合在线辨识和离线辨识 优势的新颖模型辨识方法，该控制方案在研究过程中体现出了切实有效的控制 效果；同年进一步提出非理想物系内部热耦合精馏塔的预测p i d 控制方案，鲁 棒预测p i d 控制方案，在设定值控制以及干扰控制过程中，预测p i d 控制方案 同样表现出了非常高效的控制品质。2 0 0 5 年首次提出内部热耦合精馏塔的反向 响应等独特动态特性，并针对反向响应性质设计了改进的内模控制方案，自适 应预测p i d 控制方案等，实验研究表明改进的内模控制与自适应预测p i d 的控 制效果要明显好于传统p i d 控制，内模控制已经基本无法满足控制要求 王成裕师兄在2 0 0 6 至2 0 0 8 年之间对内部热耦合精馏塔的预测控制作了大 量的研究基于a r x 模型先后建立了i t c d i c 的动态矩阵控制方案( d m c ) ， 广义预测控制方案( g p c ) 以及非线性模型预测控制方案( n m p c ) 等综合 实验对比结果，n m p c 方案能够实现超高纯控制，塔顶产品浓度设定值可达 9 9 9 9 ，相比其他控制方案具有最好的鲁棒性，但是在线运行时间长广义预 测控制方案结合自适应环节也能在高纯控制中体现出非常好的控制效果，无论 l o 浙江大学硕士学位论文 在设定值控制还是干扰控制当中，控制结果都要好于以往公布的各种研究结果， 而d m c 的鲁棒性相对较差一些，当产品浓度设定值偏大，控制品质下降严重 综观目前内部热耦合精馏塔的研究报道，不难发现，内部热耦合精馏塔的 控制建模研究是比较匮乏的国际上公布的控制研究方案大多基于p i d ，内模 控制等传统算法尽管加入自适应环节，非线性补偿环节一定程度上能够改善 控制效果，但是这些控制方案的鲁棒性始终不是很好，比如在高纯控制过程中， 设定值阶跃变化稍微增大，则控制品质大幅下降另外，基于p i d ，内模控制 的改进控制算法很难对内部热耦合精馏塔内严重的变量耦合关系作出有效处 理。师兄王成裕的的预测控制方案很大程度上改善了这种控制问题，且基于机 理模型的非线性模型预测控制方案突破性的将控制纯度提高到了超高纯领域， 预测控制的优势便在于可以不用过多的关注解耦过程，但是其他基于a r x 模 型的预测控制方案，鲁棒性等控制品质虽有改善，但是并不是非常明显。 综合目前i t c d i c 的控制研究：一，传统的p i d ，内模控制等方案在内部 热耦合精馏塔的控制当中控制效果很难得到提升改善，甚至在某些情况下这些 控制方案很难稳定地控制住精馏过程；二，基于线性模型的控制方案，包括现 在较为流行的预测控制方案，也很难大幅提升控制效果，因为由于内部热耦合 精馏塔的强非线性和变量之间的耦合性，模型失配现象体现得非常明显，这也 是造成诸多控制方案鲁棒性能不是很好的根本原因；三，基于机理模型的控制 方案虽然控制效果不错，但是在线运算时间太长，且优化参数不容易调整。严 格的内部热耦合精馏塔数学模型结构十分复杂，给滚动优化的设计带来非常大 的挑战这三大问题导致内部热耦合精馏塔的控制方案设计研究比较困难，相 比常规精馏塔的控制研究报道，热耦节能精馏过程的控制研究报道少，控制方 案单一，关键问题在于没有找到高效的高准确度的热耦精馏过程的简化非线性 模型。现在比较常用的统计模型如神经网络模型在热耦精馏过程中，也很难取 得较稳定的预测效果所以内部热耦合精馏节能技术的控制研究的一个关键点 便是寻找合适的高质量的非线性动态模型，其次为结合模型的非线性控制方案 设计基于模型的控制方案设计是是现在诸多复杂过程的控制研究趋势之一 1 引言 1 5 分离过程中i 均w a v e 现象 精馏过程的强非线性特征一直以来都对各种模型提出了较高的精度稳定性 等方面的要求随着节能精馏工艺的发展，高纯精馏要求的日益高涨，精馏过 程动态特性越来越典型化，复杂化，很少有一种广泛适用的模型能够同时满足 精馏过程各种类型的控制要求。因此衍生了众多改进型模型，非线性补偿模型， 或者引入自适应，高效能观测器等方法改善已有的控制方案。这些建模与控制 的方法一定程度上改善了传统建模方法控制方法的不足，但是实际上仍然摆脱 不了传统方法的约束限制特别在热耦精馏过程中，由p i d 和内模控制衍生出 的各种控制方案虽然改善了一些品质，但是适用工况范围仍然十分有限。a r x 模型，基于数据的非线性模型辨识等建模方法在热耦精馏建模过程中，效果都 不是十分理想为了探索新的建模与控制的方法，在分离过程领域，一种独特 新颖的w a v e 现象吸引了众多知名学者的注意 分离过程中广泛存在着w a v e 现象。所谓的w a v e 现象是指分离过程稳态过 渡过程中的某种参数分布在过渡过程中保持恒定形状恒定速度传播的过程尽 管在实际分离过程中，波形一般仍然存在微妙变化，传播速度也不会全程相等， 但是研究表明，在理想状态假设下，w a v e 传播的恒形恒速性质，即激波传播 ( s h o c kw a v et r a v e l l i n g ) 状态假设能够反应过程的非线性动态特征。基于分离 过程中w a v e 性质，建立分离过程的w a v e 动态非线性模型，实现基于模型的非 线性控制方案已经取得很好的研究成果与传统控制方案的诸多对比研究证明 基于w a v e 现象的复杂精馏过程控制具有极大的研究潜力以下列出目前有关 w a v e 现象研究的一些发表报导： 早在1 9 7 2 年，l u y b e n 率先对非线性温度分布波形( s h a r pt e m p e r a t u r e p r o f i l e ) 精馏塔的控制展开研究，非线性温度分布波形两端塔板之间的温度差 异很小，中部差异较大控制温度波形的移动位置，可以实现精馏塔的稳定操 作为了使精馏塔尽可能工作在最优状态，要防止温度波形有任何一端消失 通过部分塔板温度的测量反馈，控制温度波形的位置能够大幅降低过程增益， 解决原先精馏塔控制控制器增益过小，控制律求解易出现饱和的弊端 1 9 8 3 年，c d l l e s 首次以温度波形位置为状态变量，根据严格的机理模型建 立常规精馏塔的线性状态空间动态模型，实现了模型的低阶简化处理。精馏过 浙江大学硕士学位论文 程的动态特性主要体现在高传质速率区域的位置变化过程中，也就是温度波形 中间大温差分布区域的位置变化。建模过程中，将精馏塔内的温度波形以进料 板为界分为两个独立运动的子波形，并分别推导出这两个子波形位置变化速率 的动态方程，并通过线性化处理得到精馏塔的状态空间模型。这一模型为先进 控制在精馏过程中的应用提供了极大的便利 1 9 8 8 年至1 9 9 4 年，m a r q u a r d t 集中对常规精馏过程基于波形传播( w a v e t r a v e l i n g ) 过程的简化动态模型研究。完整的w a v e 模型分为波形描述函数和波 速方程，结合精馏过程的代数计算关系可实现复杂精馏过程的高效，高精度状 态预测。根据w a v e 传播现象可以直接采用基于物理性质的简化建模方法，这 是w a v e 建模方法优于其他近似线性方法，统计建模方法的一个关键点。 m a r q u a r d t 1 9 9 4 在物料守恒关系基础上，简化精馏过程的气液平衡关系推导出 常规精馏塔的波形描述函数，并且推导出激波波速( s h o c k w a v e v e l o c i t y ) 公式 根据波形性质，建立的近似线性分段模型与机理模型保持着很好的一致性。 在已有的w a v e 数学描述的基础上，h w a n g 1 9 9 1 首次在精馏过程中采用 w a v e 理论( w a v et h e o r y ) 分析精馏过程中各种典型的非线性特征。以离子交 换塔，各种常规精馏塔为例，结合激波波速以及浓度波形分布的在线变化情况， h w a n g 分析了分离过程中的典型非线性特征如静态增益大，时滞长，相同幅度 不同变化方向导致的不对称响应，不同稳态之间正反向过渡过程的不对称性等 在1 9 9 6 年，h w a n g 以4 0 块板和5 0 块板的酒精水物系的精馏实验证明，精馏 过程中的强非线性波形传播过程中，波形基本保持不变且激波波速具有高效的 动态特征描述能力 2 0 0 0 年k i e n l e 将w a v e 建模方法应用到多组分精馏过程中，多组分精馏过 程中的各种波形分布具有相干性，各种波动过程存在相互作用在这一特征基 础上建立的多组分精馏w a v e 模型和机理模型具有很好的吻合度，三元物系与 五元物系的分离过程实验表明，w a v e 模型同样表现出了机理模型具有的多种非 线性动态特性2 0 0 4 年，c _ r l l l n e 和k i e n l e 将w a v e 理论应用到反应精馏过程以 及色谱分离过程当中常规精馏过程的w a v e 传播现象由气液相之间的对流传 质引起，而反应精馏过程中的波动现象主要由传热和化学反应引起