内部热耦合中间隔壁塔的动态特性与控制
隔离壁精馏塔(Dividing Wall Column:DWC)是一种有效的过程强化设计，它可在单个精馏塔壳内实现三组分混合物的分离。虽然与多个精馏塔组成的常规分离序列(Conventional Distillation Sequence:CDS)相比，DWC具有明显的节能潜力，但分离过程中的不可逆性仍然很强，通过引入内部热耦合技术(Internally Heat Integrated Technology:IHIT),DWC 具有进一步强化设计的可能性。 作为内部热耦合技术与DWC两种技术进一步强化与集成的产物，内部热耦合中间隔壁塔(Internally Heat Integrated Middle Dividing Wall Column:IHIMDWC)利用两台压缩机与节流阀保证了 DWC上、下两部分(上部包含公共精馏段和进料上端隔离壁两侧区域,下部包含进料下端隔离壁两侧区域和公共提馏段)具有足够的温度差和压力差从而实现DWC的内部换热，降低了分离操作的不可逆性。在进料上、下两端的隔离壁一侧或两侧设置内部热耦合可以得到四种不同的IHIMDWC拓扑结构，分别为 IHIMDWC-S、IHIMDWC-L、IHIMDWC-U 和 IHIMDWC-A。虽然IHIMDWC具有显著的节能效益，但分离过程中复杂的传质与传热过程对其动态特性的影响仍然未知，因此有必要研究IHIMDWC的动态特性并设计合适的控制方案，为将其转化到实际化工生产过程提供理论依据。 本文以两组三元混合物系(甲醇、乙醇、正丙醇和正戊烷、环戊烷、2-甲基戊烷)的分离为例研究IHIMDWC的动态特性与控制。两种分离物系IHIMDWC的主要区别在于其稳态最优工艺流程中再沸器与冷凝器个数不同所导致的自由度差异，本文在此基础上分别给出了相对应的IHIMDWC分散温度控制方案,通过计算相对增益矩阵(Relative Gain Array:RGA)定量分析了控制回路间的相互影响，同时对比研究了四种拓扑结构在引入不同扰动情况下的开环与闭环动态响应，探索不同热耦合方式对于系统可操作性的影响。 IHIMDWC的开环动态响应结果表明，由于系统内部强烈的物质与能量耦合，IHIMDWC具有严重的非线性，过程动态特性复杂，四种不同拓扑结构中IHIMDWC-A的开环响应表现最差，推测热耦合的过度加深恶化了系统的动态特性。RGA结果表明文中针对两种分离物系IHIMDWC分别给出的分散温度控制方案中控制回路之间相互作用较小，初步验证了方案的合理性。闭环响应结果证明其可以有效抑制进料流量与进料组分扰动，从动态的角度明确了IHIMDWC的可操作性。 综上所示，IHIMDWC的最优拓扑结构应根据具体分离物系的热力学特征和主要扰动来源进行选择。对于甲醇、乙醇与正丙醇三元混合物系的分离，若主要扰动来源于进料流量，则最优拓扑结构为IHIMDWC-S,若主要扰动来源于进料组分,则最优拓扑结构为IHIMDWC-U;对于正戊烷、环戊烷和2-甲基戊烷三元混合物系的分离，两种进料扰动来源下的最优拓扑结构均为IHIMDWC-L。
隔离壁精馏塔;内部热耦合;动态特性;分散温度控制
北京化工大学
硕士
控制科学与工程
陈海胜
2023
中文
TQ051.81
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）