基于wave理论的内部热耦合空分塔动态建模及控制方案设计

发布时间：2020-06-25 05:53

【摘要】：低温精馏的空分过程是生产大量高纯氮气和氧气的重要工业过程,能耗很高,但能源利用率却非常低。在全球能源日渐紧缺的整体环境下,内部热耦合空分塔被认为是空分节能技术中最具有潜力的一种。但是由于内部热耦合的复杂结构和空气多元非理想混合物系结合,导致内部热耦合空分塔的动态建模和控制方案的设计非常困难,尤其针对目前需求量越来越大的高纯和超高纯空分产品的控制方案设计,更是罕有报道。如何有效地建立内部热耦合空分塔非线性动态模型以及设计控制性能良好的控制方案,对于将这种潜力巨大的技术商业化具有深远的意义,也是整个行业研究的前沿。本文的主要工作及创新如下:(1)建立了全塔耦合结构的内部热耦合空分塔的机理模型,分析了内部热耦合空分塔的动态特性。设计出了 PID控制方案、一阶控制模型的内模控制方案、具有反向响应特性的二阶控制模型的内模控制方案、一般模型控制方案以及具有解耦功能和控制模型参数在线校正环节的改进的一般模型控制方案。同时,在中纯产品浓度的内部热耦合空分塔模型仿真中,对上述控制方案的性能和效果进行了分析比较。(2)基于wave理论,首先推导了内部热耦合空分塔的组分浓度单板波速,在此基础上当全塔受到干扰时,进行了 wave特性分析。从宏观角度,推导了内部热耦合空分塔的组分浓度整塔波速。在引入浓度波形的经验函数后,建立了基于组分浓度整塔波速的wave非线性模型,并从wave理论角度对不同产品纯度的内部热耦合空分塔的动态特性进行了观测。(3)考虑到浓度波在传播过程中形状并不是完全恒定的情况,推导出了内部热耦合空分塔的组分浓度整塔修正波速,建立了基于组分浓度整塔修正波速的wave非线性模型,并对内部热耦合空分塔的部分动态特性进行了分析验证,证明了 wave模型的准确度很高,分析了 wave模型相比传统模型带来的模型简化优势。设计出了基于wave模型的一般模型控制方案以及广义化的一般模型控制方案,并针对高纯产品浓度的内部热耦合空分塔进行了控制仿真研究,结果表明了所设计的控制方案的有效性。(4)在内部热耦合空分塔两端产品浓度超高纯的情况下,wave波速表达式中包含的全塔浓度误差累加环节会降低模型精度,影响控制方案性能。针对此问题对wave模型进行了改进,并且将改进的模型与广义化的一般模型控制方案相结合,在超高纯的内部热耦合空分塔控制仿真中,表现出更优秀的控制性能。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.11;TP273
【图文】：

示意图,进料,换热器,高压塔

第二章基于机理的ＨＩＡＳＣ建模及控制方案设计逡逑２．１全塔耦合ＨＩＡＳＣ结构及工况参数逡逑图２．１为全塔耦合的内部热耦合空分塔示意图。本文列出的内部热耦合空分逡逑塔（ＨＩＡＳＣ）结构，是通过高压塔和低压塔全塔耦合而实现的（内部热耦合空分逡逑塔目前处于概念设计和仿真阶段，还没有实际设备和商业化）。为了能够正常工逡逑作，空气分离过程的精馏段需要比提馏段的压力高、温度高，这样才能让精馏段逡逑（处在高压塔）中富含氧成分的液态空气能够顺利地进入提馏段（处在低压塔），逡逑而提馏段中富含氧成分的气态空气也可以顺利地进入精馏段。为此，需要在低压逡逑塔和高压塔中间安装节流阀和压缩机来达到目的。这种ＨＩＡＳＣ工作起来，可以逡逑使热量从高压塔各塔板传至低压塔，分别为低压塔和高压塔提供了所需的向上流逡逑动的气相流量和向下流动的液相流量。逡逑换热器逡逑液氧产品＾逦逡逑污液氮邋Ｉ逦邋——■■■■＿＿■逦逦逡逑气氮产品＂逦＾｜逡逑进料空气逦Ｚ逡逑压缩机逡逑气氮产品窗氧气空｜＿邋逦逦—邋逡逑逦逦＼逦邋节流阀逡逑全塔热祸合＼逡逑塔板问热．银…逦污液氮逡逑——邋１１邋—邋一传．递邋＃邋■—邋——邋■—逡逑进料逦Ｚ逡逑逦

示意图,平衡级,塔板,示意图

模型ＭＥＳＨ方程逡逑搭建ＨＩＡＳＣ的机理模型，需要构建一些方程组，首先是基本的ＭＥＳＨＭ方程，即物料守恒方程：逡逑ｄｘ，，逡逑Ｈ￣＾＝ｌｍｘｕ－ｉ邋￣邋（Ｋ＋ｇｊ＾ｕ邋￣邋＾Ｌｉ＋邋ｕＭｊ＋ｖｎ＼ｙ＞ｊ＋＼＋Ｆｊｚ．ｊ，[V是持液量，！是变量对时间的微分，Ｘ是液相组分浓度，Ｚ是液ｄｔ逡逑，Ｆ是气相物料流量，Ｇ是气相侧线采出流量，少是气相组分浓度，ｔ／线采出流量，Ｆ是进料流量，ｚ是进料组分浓度。下标ｆ表示氧、氮、组分，下标＿／表示塔板序号。逡逑Ｅ方程，即相平衡方程：逡逑

【相似文献】