连续结晶过程的建模、优化与控制

发布时间：2020-08-07 15:06

【摘要】：结晶在极大多数化工生产过程中是不可缺少的重要步骤,结晶产品的质量如纯度、粒度分布等直接影响着后续包括分离、提纯等操作的难易度,且对最终的产品效益起着至关重要的作用。目前工业常用的结晶模式是批次结晶,但由于批次结晶生产模式对于产品的一致性难以控制、时间成本过高等缺点,连续结晶逐渐成为新发展的结晶模式。在已有的文献中对于连续结晶多数是从结晶器设计的角度对结晶产品进行改善,本文在已有的连续振荡挡板结晶器(Continuous Oscillatory Baffled Crystallizer,COBC)的基础上,从结晶动力学等机理模型入手对连续结晶过程作出建模、优化与控制等研究。主要工作如下:(1)针对COBC,根据溶液在其轴向流动的特点,结合经典粒数平衡方程(Population Balance Equation,PBE)与结晶动力学中的晶体成核与晶体生长机制,建立粒数平衡模型(Population Balance Model,PBM),并可通过特征曲线法或高精度有限体积法对模型进行求解。模拟结晶过程时,将COBC分段处理,根据结晶过程中溶液在COBC中的驻留时间分布(Residence Time Distribution,RTD)情况,使用多釜串联模型(Tanks-in-Series Model)确定仿真时使用的分段数量,通过该模型的使用,所得出的仿真结果更接近于实际结果。(2)在以结晶产品达到期望的晶体粒度分布(Crystal Size Distribution,CSD)为目标建立了以最小化计算CSD与期望CSD差的平方和为目标函数,以结晶动力学与质量平衡等为约束条件的优化模型,通过求解该优化问题获得最优恒定过饱和度,从而推导出对应的降温曲线,并根据热交换原理与能量平衡推导出夹套中冷却水的最佳入口温度。另外提出模型预测控制策略应用到连续结晶过程控制中。有了上述的模型与方法,在实际操作中温度的控制值能更准确地设定与操作。(3)以L-谷氨酸为结晶对象,根据提出的模型与方法对其进行结晶过程的仿真实验,可以从图中清楚地看到CSD及相应的过程变量与状态变量的变化。此外设定了目标CSD求得最优恒定过饱和度及相应的溶液温度曲线,并获取针对该目标CSD夹套中冷却水的最佳入口温度。仿真结果显示优化结果与目标CSD十分相近,验证了该优化模型对于该过程的有效性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ026.5

【参考文献】