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双隔离壁反应蒸馏塔的过程设计与控制

双隔离壁反应蒸馏塔的过程设计与控制

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作者：秦伟北京化工大学

学位级别：硕士

隔离壁反应蒸馏塔(R-DWDC)作为反应蒸馏(RDC)和隔离壁技术过程强化与集成的产物,在资源节约和能源消耗方面具有巨大的潜在优势,但迄今为止很少有针对过程综合与设计的研究。尤其单隔离壁反应蒸馏塔(R-SDWDC)是现有研究中占绝对优势的过... 详细信息

隔离壁反应蒸馏塔(R-DWDC)作为反应蒸馏(RDC)和隔离壁技术过程强化与集成的产物,在资源节约和能源消耗方面具有巨大的潜在优势,但迄今为止很少有针对过程综合与设计的研究。尤其单隔离壁反应蒸馏塔(R-SDWDC)是现有研究中占绝对优势的过程结构,虽然它能很好的协调反应操作与分离操作之间的物质和能量耦合,但是分离与分离操作之间的物质和能量耦合却被完全忽略,因此R-SDWDC并不是过程强化的最优结构。基于此,我们推导出了双隔离壁反应蒸馏塔(R-DDWDC)结构,其显著提高了反应分离过程的热力学效率,与传统的反应蒸馏和R-SDWDC相比,在节能和降低成本方面具有明显的优势。虽然双隔离壁反应蒸馏塔具有较高的热力学效率,但其动态学和控制等问题却鲜有人研究。由于R-DDWDC结构复杂而且内部具有强烈的物质和能量耦合,其过程动态和操作性问题更为复杂。因此,本文对R-DDWDC进行了可控性和可操作性的分析,以一个最不利相对挥发度排序的理想四元可逆反应的分离为例,研究了所提策略的可行性和有效性。(1)本文对R-DDWDC结构进行了开环和闭环可控性评估,通过对控制通道和扰动通道两个方面的分析,研究R-DDWDC复杂的过程结构和操作机制对过程灵活性和可控性的影响。结果表明R-DDWDC具有严重的非线性和不对称性的特点,过程可控性较差,内部反应操作和分离操作之间的强烈物质与能量耦合恶化了系统的动态特性和可控性。(2)对R-DDWDC进行稳态操作分析,分析表明导致R-DDWDC具有窄操作范围和复杂的动态特点的原因在于反应物系的固有热力学特性和反应蒸馏环节和隔离壁蒸馏环节之间的强耦合关系,这些问题难以通过控制系统的设计来克服。因此本文提出在过程综合与设计阶段调整左侧隔离壁的气相分离比来提高R-DDWDC的可控性。结果显示提高气相分离比虽然增加了系统操作能耗,但是可以提高R-DDWDC的可操作性,获得更好的的动态表现。(3)本文从温度推断控制策略深入研究了R-DDWDC的操作可行性。分析比较了温度、温度与温度串级和温差与温度串级这三种控制方法在进料流量和组分的扰动下的闭环特性。结果表明后者的强化温度控制方案在提高R-DDWDC的可操作性,减小稳态偏差方面呈现出显著的优势。本文深入探究了R-DDWDC的过程动态表现和操作可行性,揭示了其内部强烈的物质和能量耦合是使其具有过程复杂性的根本原因,提出并且运用不同的方法改善了系统的动态特性和可操作性,对其它复杂蒸馏系统的研究具有普遍意义。

关键词：双隔离壁反应蒸馏塔过程设计过程操作过程控制温度推断控制

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