一种过程强化的稳态设计与动态控制的一体化理论与方法

Process intensification is a newly-emerging philosophy that advocates the integration of two or more chemical operations into one unit. With the intensified mass and/or energy integration the operating cost and capital investment can be considerably reduced. Since excessive mass and/or energy integration may result in complicated process dynamics and worsen process controllability, it is imperative to consider simultaneously static design and dynamic control in process development. Based on the principle of decomposition and co-ordination for large-scale systems, we propose a new theory and methodology for dealing with systematically static design and dynamic control. Firstly, the decomposition of process intensification should be performed, aiming to simplify the design of each subsystem involved. Secondly, the dominant and non-dominant variables should be determined. The former represents the philosophy of process intensification and can be used as primary decision variables to balance static design and dynamic control. The latter respresents the philosophy of conventional process development and can be employed as seconary decision variables to balance static design and dynamic control. Lastly, these two kinds of decision variables are effectively combined to form a systematic strategy for process intensification. The proposed theory and methodology for integrating static design and dynamic control is characterized by its great simplicity in principle and much low intensity in computation, thereby being capable of taping the full potentials of process intensification and especially suitable for the synthesis, design and operation of complicated chemical processes. The current project attempts to evaluate its feasibility and effectiveness.

过程强化是将两个或两个以上的化工操作耦合在一个单元中，通过加强物质与/或能量耦合来提高生产效率和降低投资成本。由于过度的物质与/或能量耦合会引起复杂的动态特性并恶化系统的可控性，因此在系统的开发中必须考虑稳态设计与动态控制的折衷与平衡这一重要问题。本课题组根据大系统的分解与协调原理提出了一种全新的稳态设计与动态控制的一体化理论与方法。首先，对过程强化进行有效地分解，以简化各个子系统的设计。其次，确定决定性和非决定性设计变量。前者体现过程强化的设计理念，是平衡稳态设计与动态控制的主要决策变量。后者体现常规过程的设计理念，是平衡稳态设计与动态控制的次要决策变量。最后，将上述两种变量有效地结合起来形成一种系统性的开发策略。这种稳态设计与动态控制的一体化理论与方法具有原理简单、计算强度小等优点，能够充分挖掘过程强化的潜力，特别适合于复杂过程强化的综合、设计与操作。本课题旨在确立它的可行性与有效性。

化工过程强化是将两个或两个以上的单元操作耦合于一个单元之中，通过加强内部物质与/或能量耦合来提高生产效率和降低投资成本。由于过度耦合会导致复杂的动态特性并恶化可控性，因此系统开发必须认真考虑稳态设计与动态控制的折衷与协调这一重要问题。本课题组根据大系统的分解与协调原理提出了一种全新的稳态设计与动态控制的一体化理论与方法，并对其进行了深入的研究，取得了如下研究成果。.首先，给出了一种按照所含单元操作进行分解，再依据操作特点缩减子系统的系统分解策略。.第二，给出了一种有效的决定性与非决定性决策设计变量的抽取策略。前者体现内部耦合的范围与强度，是平衡稳态设计与动态控制的主要决策变量。后者体现常规设计理念，是平衡稳态设计与动态控制的次要决策变量。其中，抽取能同时改进稳态设计与动态控制的决定性决策设计变量对于简化折衷与协调方法具有重要的作用与意义。.第三，基于相对增益矩阵、最小奇异值与条件数，给出了一种通用的操作弹性、动态特性与可控性的稳态评价策略。对于蒸馏过程，给出了一种基于温度变化幅度平均绝对值的稳态评价指标，可以解决蒸馏塔的稳态设计、动态控制以及二者的折衷与协调等问题。.第四，给出了一种普适性的稳态设计与动态控制的一体化理论与方法，即首先依靠决定性决策设计变量，其次依靠非决定性决策设计变量折衷与协调稳态设计与动态控制，具有原理简单和计算强度低等优点。.最后，基于多个典型的化工过程，深入研究了所给出的稳态设计与动态控制的一体化理论与方法的可行性与有效性，所得结果有力地展示了其在确保操作弹性、动态特性与可控性的前提下，能够最大限度地提高生产效率和降低投资成本的根本特点。.综上所述，化工过程强化的分解与协调能够深入挖掘内部耦合的基本特点，有利于抽取决定性与非决定性决策设计变量，也有利于折衷与协调稳态设计与动态控制，这一切保障了本课题组所给出的稳态设计与动态控制的一体化理论与方法的可行性与有效性。