双反应段蒸馏塔的控制和动态研究：理想两步连续可逆反应

摘要

反应蒸馏技术是一种在化工过程中广泛应用的过程强化技术，通过将化学反应与常规蒸馏集成在一个装置中，使得系统具有更低的能耗，降低了设备投资，提高了经济效益。然而，应用单反应段蒸馏塔（RDC-SRS）对复杂的两步反应进行分离时，不能达到要求的产品规格或者产生相比于传统的级联化工流程更高的能耗的现象时有发生。针对这种情况可以采用两个反应段被合理设置在蒸馏塔内的双反应段蒸馏塔(RDC-DRS)来对两步连续可逆反应进行分离。这样的配置增强了热力学效率，有利于加强物质耦合和能量耦合，使系统具有比单反应段蒸馏塔更好的稳态性能。另一方面，不管是从过程强化技术的有效可靠程度考虑，还是从实际化工应用层面考虑，这种过程强化技术在操作过程中的动态特性和可控性也是需要研究的。
　　本文详细对比分析了单反应段蒸馏塔和双反应段蒸馏塔的动态特性和控制。首先研究了双反应段蒸馏塔的开环特性，在控制通道，双反应段的设置一方面使塔底产品组分和回流流量之间的耦合性增强，另一方面虽然使塔顶产品组分和回流流量之间的开环增益有所降低，但是同时使塔顶产品组分和再沸器之间的耦合性减弱了。而双反应段的设置对控制通道的净效应最终给系统动态特性带来了有利的影响，这一点在计算的相对增益矩阵中也有所体现。在扰动通道，当进料流量产生阶跃变化时，单反应段蒸馏塔塔底产品浓度的开环正负响应的不对称性更加明显。不利的开环特性会使单反应段蒸馏塔在进行两步连续可逆反应的分离时恶化系统的动态性能。
　　通过对单反应段和双反应段蒸馏塔的被控变量和操纵变量进行分析，搭建了两种反应蒸馏塔的控制结构。在采用相同的浓度控制方案和控制结构的情况下，继续对两者的动态性能进行对比分析。从闭环控制结果来看，双反应段蒸馏塔在受到进料流量扰动和组分扰动时均表现出更优的抗扰动能力，并且在产品浓度设定值发生改变时也表现出更好的跟踪性能。综合以上研究结果，双反应段蒸馏塔作为一种过程强化技术，不仅能提高系统的稳态性能，同时是改善系统的动态特性与可控性的一种有效方案。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究问题的提出

1．3 主要内容

第二章 双反应段蒸馏塔的提出与研究现状

2．1 反应蒸馏技术的发展历史和应用

2．1．1 反应蒸馏技术的发展历史

2．1．2 反应蒸馏技术的应用

2．1．3 反应蒸馏过程的动态控制

2．2 双反应段蒸馏塔的提出和研究进展

2．2．1 双反应段蒸馏塔的提出和研究现状

2．2．2 双反应段蒸馏塔的原理

2．3 本章小结

第三章 理想双反应段蒸馏塔的稳态模型和动态模型

3．1 理想两步连续可逆反应的过程描述

3．2 理想双反应段蒸馏塔的稳态模型

3．3 理想双反应段蒸馏塔的稳态设计

3．4 理想双反应段蒸馏塔的动态模型

3．5 本章小结

第四章 理想双反应段蒸馏塔的开环特性

4．1 双反应段蒸馏塔动态特性的分析

4．2 控制通道的开环动态特性

4．3 扰动通道的开环动态特性

4．4 本章小结

第五章 理想双反应段蒸馏塔的闭环特性

5．1 双反应段蒸馏塔控制系统设计

5．2 双反应段蒸馏塔的控制性能

5．2．1 进料A的流量扰动

5．2．2 进料A组分扰动

5．2．3 设定值扰动

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

导师与作者简介