夹带剂促进反应精馏过程多稳态分析与控制研究

摘要

夹带剂促进反应精馏是在反应精馏系统中加入夹带剂的工艺过程，可有效解决反应精馏过程中存在的由反应物与部分产物形成共沸物导致的反应转化率下降和高沸点组分造成反应段高温区等问题。 然而，夹带剂的引入，势必会造成系统更强的非线性，甚至出现多稳态现象，给精馏的操作和控制带来许多问题。当系统存在多重稳态时，对于一个特殊扰动，塔的分布可能从一个需要的稳态跃迁到不需要的稳态，引起精馏塔的不规律行为，给精馏塔的控制方案设计提出更高的要求。 乙酸正丁酯是化学工业中的重要溶剂，本论文以夹带剂促进反应精馏生产乙酸正丁酯过程为研究对象，对其进行系统的多稳态分析和控制研究。 首先，借助Aspen Plus软件灵敏度分析工具对系统内部的再沸比、丁醇进料流量、回流比、塔底物流流量、操作压力和再沸器负荷六个系统关键操作参数进行分岔分析，研究发现夹带剂促进反应精馏过程系统内部在特定操作条件下出现了多个输入或输出多稳态现象，具有高度的非线性动态特性。 其次，基于非线性波理论对精馏塔内部温度和组成等分布剖形移动分别进行稳态和动态模拟，从定性分析和定量计算两个方面阐释了多稳态现象。结果表明，反应转化率或波速随波位置的非单调性变化是过程发生多稳态的主要原因。 最后，借助Aspen Dynamics软件分别考察了三种控制结构的动态控制性能。通过动态模拟发现，利用两股反应物进料的比例来控制灵敏板温度的控制结构在抵抗进料扰动、维持系统稳定方面表现出较大的优越性。此外，对于夹带剂促进反应精馏过程，温差控制结构较常规温度控制取得了更好的控制效果。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 反应精馏

1.2.1 反应精馏的发展历史

1.2.2 反应精馏的应用范围

1.2.3 反应精馏的特点

1.2.4 反应精馏过程模拟

1.2.5 精馏动态模拟

1.2.6 精馏过程控制

1.3 夹带剂促进反应精馏

1.3.1 夹带剂促进反应精馏概述

1.3.2 夹带剂促进反应精馏研究现状

1.4 精馏过程多稳态现象

1.4.1 多重稳态的定义

1.4.2 多重稳态现象的研究现状

1.4.3 多重稳态在精馏的设计和操作中导致的问题

1.4.4 多重稳态解的寻找方法

1.5本论文的研究内容

第二章 基于分岔分析法的夹带剂促进反应精馏过程多稳态分析

2.1 分岔分析的概念

2.2 研究案例的多稳态分析

2.2.1 稳态模拟设计

2.2.2 多重稳态解的寻找策略

2.2.3 研究案例的多稳态分岔分析

2.3 本章小结

第三章 基于非线性波理论的夹带剂促进反应精馏过程多稳态分析

3.1 引言

3.2 非线性波传播理论

3.3 基于非线性波理论的研究案例多稳态分析

3.3.1 稳态模拟下的非线性波法多稳态分析

3.3.2 动态模拟下的非线性波法多稳态分析

3.3.3 基于非线性波理论定量计算的多稳态分析

3.4本章小结

第四章 夹带剂促进反应精馏过程控制研究

4.1 引言

4.2 控制结构的设计与分析

4.2.1 导入动态模拟前的准备工作

4.2.2 自由度分析

4.2.3 存量控制

4.2.4 温度控制点的选择

4.2.5 控制结构建立与测试

4.3 本章小结

第五章 结论

5.1 总结

5.2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢