反应与精馏强化过程的动态协同调控与分级优化方法研究

The control and optimization of the distillation column coupled with side reactors process(SRC) is one of the key academic problems on how to make use of materials and energy efficientively. Aim at some puzzles in the traditional control mode,such as the dynamic disorder between reaction and separation, and the condition migration under the disturbances,which make it difficult to achieve the advantages of the integreated process, the following aspects will be disscussed in the item,1)The setvalue multistep rolling optimization approach ,the error tolerant dynamic matrix control strategy and the traditional control mode will be integrated to realize dynamic synergistic effect between reaction and separation;2)The hierarchical optimization methods based on multiobjective & multiconstraint dynamic optimization and multivariate tracking control are to be developed to achieve the slide control during working condition transfering to ensure the system operating in high quality; 3)The proposed integrated engineering design method will be applied in the SRC process with the reaction and separation under different operation conditions.The comprehensive process simulation and experimental platform will be built，and simulation validation and engineering application will be illustrated in the example of benzyl chloride production.This research results of the item will not only have important scientific significance and engineering application value in the field of reactive distillation process, but also present useful guidelines for the conventional multi-unit chemical industry.

面向由外部反应器和精馏塔耦合而成的新型反应与精馏强化过程的控制与优化，是解决物质与能量高效利用的一个关键性学术难题。项目针对传统控制模式下扰动引起反应与分离动态失调和工况偏移，导致系统集成优势难以发挥的科学问题，展开如下研究：1）拟采用设定值多步长滚动优化、偏差区域容忍动态矩阵控制与传统控制相融合方法，实现反应与分离能力动态协同调控；2）研究多目标多约束的动态优化与多变量跟踪控制相结合的分级优化方法，实现工况优化与平滑调节，确保系统维持高品质运行； 3）提出不同工况反应与精馏强化过程一体化工程设计思想，研制流程模拟综合实验平台，并以甲苯氯化反应体系为例进行模拟验证和工程应用。项目研究成果不仅对反应与精馏强化过程具有重要科学意义和工程应用价值，而且对传统多单元化工生产过程具有很好借鉴作用。

反应与精馏强化过程通常由多个单元耦合联接而成，其不仅涉及反应与分离能力的协同机制、多单元组合与系统整体运行效能的关系，且具有强非线性、强耦合和大滞后特性，给过程集成优化设计、动态协同调控与分级优化带来诸多的挑战。本项目主要针对反应与精馏强化过程展开系列研究，取得成果有：. 1）提出基于独立反应量的不同工况反应与精馏过程集成优化设计理论。针对反应动力学与气液相平衡方程的交互作用带来计算收敛问题，建立了基于独立反应量与反应速率常数之比的反应器的数学模型方程，探讨不同反应、分离条件对反应精馏耦合性能影响。分别采用序贯优化设计方法和混合动态整形优化算法获取不同工况侧反应精馏过程的最佳集成结构和操作参数，实现反应能力与分离能力的最佳匹配设计。. 2）针对两种不同集成模式的反应精馏强化过程，在最优的集成结构和操作参数下，根据“Bottom-Up”和“Top-Down”控制系统设计原则，开展强化过程动态特性分析、厂级控制系统设计及其Aspen Dynamics 动态模拟系统研究。. 3）采用于不确定干扰的控制器参数随机优化整定方法，解决在不同扰动下反应与分离能力动态协同调控问题；研究了设定值多步长滚动优化、基于差分扩展Kalman滤波算法（EKF）的模型预测控制（MPC）与传统控制相融合方法，实现不同生产负荷下的反应与分离能力动态协同调控。. 4）在稳态经济优化设计研究基础上，研究多目标优化进化算法与多变量动态跟踪控制相结合的两级优化方法，实现工况优化与平滑调节，确保系统维持高品质运行。上层多目标进化算法采用MATLAB实现，下层采用ASPEN PLUS实现动态模拟计算，通过数据库与通讯程序实现上层实时计算之间数据的通讯和同步问题。. 5）给出不同工况反应与精馏强化过程一体化工程设计思想，研制流程模拟综合实验平台。以甲苯氯化反应体系为例进行模拟验证和工程应用。. 研究成果不仅对反应与精馏强化过程有重要科学意义和工程应用价值，而且对传统多单元化工生产过程具有很好借鉴作用。