蒸汽再压缩隔离壁蒸馏塔的综合、设计与控制

基本信息
批准号:21878011
项目类别:面上项目
资助金额:65.00
负责人:黄克谨
学科分类:
依托单位:北京化工大学
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:张亮,王韶锋,钱行,苑杨,顾克,朱超,臧立静,严振宇,刘路
关键词:
隔离壁蒸馏塔过程设计过程控制过程综合蒸汽再压缩
结项摘要

Although the application of vapor recompression heat pump (VRHP) can greatly enhance the performance of a dividing-wall distillation column (DWDC), the unique topological structure of the latter with double columns and multiple separating sections results in too many possibilities to be connected with the former and this makes process synthesis and design an extremely complicated and tedious job. Furthermore, the addition of the VRHP also intensifies the internal coupling within the DWDC and this poses a great challenge to stable process operation. For ensuring the rationale and feasibility of the further intensification of the DWDC with the VRHP, it is obviously necessary to address effectively these two issues and this research project aims to achieve the purpose. Firstly, with reference to the thermodynamic properties of the processed mixtures and operating conditions, the metrics are to be derived for the determination of the topological configurations of the VRHP-DWDC. Secondly, the strategies for the synthesis and design of the VRHP-DWDC are to be developed and employed to achieve the sequential optimization of process configurations and operating conditions. Thirdly, the methods for adjusting the designs of the VRHP-DWDC are to be provided that serve to guarantee simultaneously satisfactory steady-state and dynamic performance and controllability. Finally, the strategies are to be formed for the development of decentralized composition and temperature control systems and used to secure the tight product quality control of the VRHP-DWDC. The current research project focuses on revealing the inherent mechanism of combining the DWDC with the VRHP and deriving effective, simplified, and yet generalized strategies for process design and operation, thereby serving as useful guidelines for further intensification of the DWDC.

蒸汽再压缩热泵(VRHP)虽能够大幅度提高隔离壁蒸馏塔(DWDC)的操作性能,但DWDC的双塔与多段结构使得VRHP的应用存在多种可能性,大大加剧了系统开发的复杂性与繁琐性。VRHP的引入也加重了DWDC的内部耦合,极有可能给平稳操作带来挑战。为确保DWDC再强化设计的合理性与可行性,上述两大难题必须加以解决,本课题将对此进行深入研究。首先,依据被分离物系的热力学性质与操作条件推演VRHP-DWDC拓扑结构的判断准则。其次,开发一种VRHP-DWDC的综合与设计策略,实现系统拓扑结构与操作条件的序贯优化。再次,研究VRHP-DWDC稳态设计的调整策略,确保其具有满意的稳态特性、动态特性与可控性。最后,开发VRHP-DWDC的浓度与温度分散控制策略,实现产品质量的严格控制。本课题旨在揭示VRHP-DWDC开发的内在规律,系统地给出有效、简洁且通用的设计与控制策略,为DWDC的再强化提供指针。

项目摘要

虽然隔离壁蒸馏塔(DWDC)远优于常规蒸馏过程,但利用蒸汽再压缩热泵(VRHP)仍能显著提高其稳态性能,是一个值得深入探索的过程强化策略。DWDC的复杂结构使得VRHP应用存在多种可能性,大大增加了系统开发的复杂性、计算强度与繁琐性。VRHP的引入也加剧了蒸汽再压缩DWDC (VRHP-DWDC)的内部耦合,极有可能给平稳操作带来挑战。为了确保VRHP-DWDC开发的合理性与可行性,必须解决上述两大难题。本课题组根据DWDC的稳态操作条件与热力学特性,提出了一种VRHP-DWDC综合、设计与控制的系统性策略,并对其进行深入的研究,取得了如下研究成果。.首先,依据DWDC的稳态操作条件与被分离物系的热力学特性,给出一套VRHP-DWDC拓扑结构的推断策略。它无需进行拓扑结构的评价与比较,直接从分离操作非可逆性的量与质两个方面确定VRHP-DWDC的最佳拓扑结构。.第二,开发了一种VRHP-DWDC的综合与设计策略,实现系统拓扑结构与操作条件的序贯优化,不但能深入挖掘VRHP-DWDC的节能潜力,而且大幅度降低了系统开发的复杂性、计算强度与繁琐性。.第三,给出一种通用的VRHP强化DWDC与 Kaibel DWDC (KDWDC)的综合与设计原理,并以此开发了一种VRHP-DWDC与VRHP-KDWDC的迭代搜索方法,具有较低的复杂性、计算强度与繁琐性。.第四,依据操作条件与拓扑结构的顺序调整,给出了一种普适性的稳态设计的调整策略,具有原理简单和计算强度低等优点,能够确保VRHP-DWDC拥有满意的稳态特性、动态特性与可控性。.最后,研究了VRHP-DWDC温度分散控制系统的综合与设计问题。所得结果表明,VRHP的引入并不会显著恶化系统的稳态特性、动态特性与可控性,依据常规控制方法能够实现产品质量的严格控制。.综上所述,根据DWDC的稳态操作条件与被分离物系的热力学特性,能够推断VRHP-DWDC的最佳拓扑结构,并实现其拓扑结构与操作条件的序贯优化,显著降低系统开发的复杂性、计算强度与繁琐性。基于操作条件与拓扑结构的顺序调整,能够确保VRHP-DWDC具有满意的稳态特性、动态特性与可控性,并能实现产品质量的严格控制。这一切表明了本课题组所给出的VRHP-DWDC综合、设计与控制策略的合理性、可行性与有效性。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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