自热回收精馏过程的优化与控制研究

Self-heat recuperation distillation (SHRD), which applies the self-heat recuperation technology to distillation process, facilitates recirculation of not only latent heat but also sensible heat in a process, and helps to reduce the energy consumption of the process. While the strong nonlinear structure and multiple variable coupling characteristics bring difficulties to the optimazition and control of the globle system. The project aims to propose the optimization method and control strategies. The exergy analysis and entransy analysis are used to reveal principles of energy savings in SHRD. The optimization is carried out using the multi-objective simulated annealing algorithm, which investigates the multi-objective optimization mechanism of SHRD. The traditional PID control method and model predictive control method are used to study the dynamic characteristics and explore the optimal control strategy for SHRD. To validate the theory and experimental results mutually, the separation of ethanol-water system is studied，which refines the design parameters of SHRD. The implementations of the project can provide the theoretical basis of optimization and control, as well as its industrial application.

自热回收精馏是将自热回收技术应用于精馏过程，其充分利用体系进出物流的潜热及显热，可大幅度降低精馏能耗，而其强非线性、多变量耦合给系统整体调控和优化研究带来很大的挑战。本项目旨在对自热回收精馏过程进行系统研究，形成适用于自热回收精馏过程的优化方法及控制方案。利用[火用]分析和[火积]分析对自热回收精馏进行热力学评价，揭示自热回收精馏的节能原理；运用多目标模拟退火算法对自热回收精馏进行优化研究，分析自热回收精馏的多目标优化机理；采用传统PID控制与模型预测控制方法建立自热回收精馏过程的控制系统，探索最佳的自热回收精馏控制方案；以乙醇-水体系为例，理论与实验相互验证，以完善其设计及操作参数。本项目的成功可为自热回收精馏过程优化控制、工业放大和应用提供理论指导。

随着世界能源日益短缺，如何在精馏过程中减少能量消耗受到了越来越广泛的关注。自热回收精馏的节能潜力非常高，但目前研究水平仅停留在概念设计的层面上，自热回收精馏在不同分离体系中的具体实施方法还不够明确。此外，对自热回收精馏优化设计与过程控制的挖掘还较少。如果可以针对体系特点而提出相应的自热回收精馏构型，在此基础上进行合理的优化及控制结构的建立，对于进一步应用自热回收精馏技术具有重要意义。. 本项目主要以乙醇/水共沸混合物为研究对象，形成适用于自热回收精馏过程的优化方法及控制方案。利用[火用]分析和[火积]分析对该过程进行分析，并通过剩余曲线图分析苯作为共沸剂分离乙醇/水混合物的可行性；分别对传统共沸精馏、自热回收-共沸精馏及萃取精馏建立了稳态模型；分析了各流程的优化目标及设计变量，采用多目标优化算法对三种分离流程进行了优化，得到了约束条件下各流程的Pareto解集并计算了相应设计点下的年总费用、热力学效率及二氧化碳排放量三性能指标。计算结果表明，Pareto解集中存在一最佳设计点，在该点下其年总费用最低、热力学效率最高、二氧化碳排放量最少。自热回收-共沸精馏过程比传统共沸精馏在年总费用、热力学效率及二氧化碳排放量方面均有显著优势，且其电能消耗明显低于萃取精馏过程中的能量消耗，热力学效率也比萃取精馏更高。对自热回收-共沸精馏的最优流程进行了进料扰动分析并建立了PID和MPC控制策略。研究表明，提出的控制结构在进料扰动干扰下能够使产品纯度维持在设定值附近，其控制效果与传统共沸精馏中建立的控制结构相比差别不大，说明虽然自热回收-共沸精馏结构复杂，但加之合理的控制结构也能够平稳有效地运行，同时采用实验研究证明该结论的正确性。随后将研究成果拓展到正丁醇-异丁醇近沸体系和乙酸甲酯水解反应过程的研究，探究自热回收技术与其他工艺过程集成的可行性。