苯氯化反应精馏过程控制系统设计与分析

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反应与精馏集成技术是将化学反应和精馏分离过程集成在同一个设备内进行的一种强化过程。与传统生产工艺相比,反应精馏技术通过将反应产物及时移出,在提高原料转化率或目标产物选择性、充分利用反应热以及提高设备集成度方面具有显著优势。由于反应与分离能力的相互作用,过程中存在强非线性、强耦合性和多稳态等特性,且系统的控制自由度降低,给反应精馏过程的动态操作与控制带来新的挑战。本文针对苯氯化反应精馏过程,分别进行了过程建模、自动控制系统方案设计、模型预测控制系统设计等研究工作,并采用Aspen化工流程模拟软件建立了其动态模拟系统,进行控制策略的有效性验证。  主要研究内容如下:  1)苯氯化反应精馏过程的集成结构设计与模拟。在分析系统的物系特性和工艺机理基础上,建立了苯氯化反应精馏过程的稳态流程模拟系统。结合塔内塔板气液相流率、液相物质组成和塔板温度以及实验数据对稳态模型的合理性进行了分析。采用灵敏度分析方法对模型的进料板位置、进料量、塔顶馏出量和回流比等参数进行了优化。  2)设计分析苯氯化反应精馏过程的多变量控制方案。首先介绍了控制系统的设计要求,研究反应精馏过程的动态特性,并采用奇异值分解方法选取合适的灵敏板位置。测试系统的开环动态特性并结合系统的控制目标设计了不同的多变量控制方案。对比分析各种控制方案在进料流量、成分、加热量扰动下系统的响应曲线、调节时间、绝对误差积分、稳态误差等性能指标,对比出系统最佳的多变量控制方案。研究工业生产负荷调控方式,设计了三种负荷调控方式,并对这三种方法进行对比分析。  3)设计与分析苯氯化反应精馏过程的动态矩阵控制策略。为增强系统的鲁棒性能,引入动态矩阵控制对系统进行研究。采用Matlab中的系统辨识工具箱对测得的数据建立系统的状态空间模型,并对模型进行校验,分析模型的吻合度和与校验数据的误差。合理设计动态矩阵控制中的控制器参数,分析系统在设定值与进料扰动情况下系统的控制性能。  
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