反应精馏合成醋酸戊酯的工艺优化与控制策略

发布时间：2020-10-22 08:50

　　 醋酸戊酯是一种重要的化工原料,在化工、医药、香料等领域的工业应用中占有重要地位。目前,随着醋酸戊酯合成方法和新型催化剂的不断研究和发展,醋酸戊酯合成已经由传统的多段连续生产转变为先进的反应精馏工艺生产流程,且该方法得到了广泛的研究与应用。近年来,能源价格不断上升,能源短缺问题日益严重,生产过程的节能优化成了绿色发展亟待解决的问题。本文通过过程强化的方法,利用差压热耦合反应精馏(DPT-RD)及隔壁塔反应精馏(RDWC)技术实现对常规反应精馏过程的进一步节能改造,并对其节能优化及控制策略进行了深入的研究。首先对等量进料(单塔流程)和过量进料(两塔流程)两种操作模式下常规反应精馏过程的优化与控制进行了研究。以年度总费用(TAC)为目标函数进行优化,确定单塔流程和两塔流程的最小TAC分别为584.66×10~3$/y和790.77×10~3$/y。对两种动态流程加入±20%进料流量和5%进料组成扰动考察其控制性能,动态结果表明:在合适的控制结构下两种流程均能实现稳定的控制。在两种操作模式下常规反应精馏过程优化操作的基础上提出了它们的改进流程——DPT-RD过程和RDWC过程,并对其进行了优化设计与控制研究。稳态经济优化结果表明:DPT-RD过程较单塔流程可节约能耗33.74%,TAC减少7.96%;RDWC过程较两塔流程节约能耗约8.35%,TAC降低12.15%。通过对DPT-RD及RDWC过程在多种控制方案下控制性能的研究,得到了适用于各自流程的最佳控制策略:DPT-RD过程在组成-温度串级控制结构CS3下可以有效地处理进料流量和进料组成扰动,实现稳健的控制;RDWC过程在组成-温度串级控制结构CS2和气相分配比控制结构CS3下均能实现稳定的控制,但控制结构CS2需要使用组成控制器并且稳定时间较长,所以控制结构CS3为较优的控制方案。最后,对四种不同流程的稳态经济性和动态可控性进行了综合的分析比较。由于流程改进使过程的耦合程度发生变化,这可能会对其稳态及动态特性产生较大的影响。通过比较结果可知:等量进料过程在经济性方面占有较大优势,如单塔流程较两塔流程TAC降低26.06%,DPT-RD过程较RDWC过程TAC减少22.53%;但等量进料过程动态响应存在较大的绝对误差积分值(IAE),可见其可控性不如过量进料过程。综合上述结果,对过程的经济性和可控性进行权衡,RDWC过程是满足当前工业生产现状的较优选择。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ225.24
【文章目录】：
摘要
abstract
1 文献综述
    1.1 醋酸戊酯研究进展
        1.1.1 醋酸戊酯的性质及应用
        1.1.2 醋酸戊酯的合成方法
        1.1.3 醋酸戊酯合成的研究进展
    1.2 反应精馏技术
        1.2.1 反应精馏过程的特点
        1.2.2 反应精馏技术的发展
        1.2.3 反应精馏过程的模拟
    1.3 反应精馏过程强化
        1.3.1 热泵反应精馏
        1.3.2 多效反应精馏
        1.3.3 内部热集成反应精馏
        1.3.4 差压热耦合反应精馏
        1.3.5 隔壁塔反应精馏
    1.4 过程控制与动态模拟
    1.5 研究内容与意义
        1.5.1 研究内容
        1.5.2 研究意义
2 不同操作模式下常规反应精馏过程的优化与控制
    2.1 反应动力学和热力学模型
        2.1.1 反应动力学
        2.1.2 热力学模型
    2.2 等量进料条件下的常规反应精馏过程
        2.2.1 稳态经济优化
        2.2.2 动态控制
    2.3 过量进料条件下的常规反应精馏过程
        2.3.1 稳态经济优化
        2.3.2 动态控制
    2.4 本章小结
3 差压热耦合反应精馏过程的设计与控制
    3.1 差压热耦合反应精馏过程
        3.1.1 过程描述
        3.1.2 可行性分析
    3.2 过程优化
        3.2.1 过程参数分析
        3.2.2 灵敏度分析
        3.2.3 经济优化
        3.2.4 优化结果对比
    3.3 动态控制
        3.3.1 自由度分析
        3.3.2 温控板选择
        3.3.3 基础控制结构（CS1）
        3.3.4 改进控制结构（CS2）
        3.3.5 组成-温度串级控制结构（CS3）
    3.4 本章小结
4 隔壁塔反应精馏过程的设计与控制
    4.1 隔壁塔反应精馏过程描述
    4.2 过程优化
        4.2.1 过程参数分析
        4.2.2 经济优化
        4.2.3 优化结果对比
    4.3 动态控制
        4.3.1 自由度分析
        4.3.2 温控板选择
        4.3.3 基础控制结构（CS1）
        4.3.4 组成-温度串级控制结构（CS2）
        4.3.5 气相分配比控制结构（CS3）
        4.3.6 动态响应结果分析
    4.4 本章小结
5 不同流程稳态经济性和动态可控性的比较
    5.1 稳态经济性的比较
    5.2 动态可控性的比较
        5.2.1 绝对误差积分
        5.2.2 动态响应结果对比
    5.3 本章小结
6 结论
参考文献
附录
致谢
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【参考文献】

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本文编号：2851376