精馏—蒸汽渗透分离乙烯/乙烷的动态模拟与控制

【摘要】：乙烯/乙烷相对挥发度小,常规精馏分离时需要在低温(-25℃)、高压(2.3MPa)、大回流比的条件下进行,所需塔板数往往超过200、塔高超过100m,因此设备投资和操作费用很高。气体膜分离技术作为一种新型的分离技术,具有效率高、能耗低、适应性强、易于操作等一系列优点,近年来得到迅猛发展。精馏塔分离乙烯／乙烷体系,在进料塔板附近存在潜在的组分夹点,临近几块塔板产品组成变化很小,精馏分离效率低,将精馏与膜组件耦合使用,在夹点处侧线引出流股进膜组件,经膜组件分离渗透气和渗余气分别进精馏塔精馏段和提馏段进一步分离,膜组件承担部分分离工作,可以有效的降低理论塔板数,对于已经投入使用的精馏塔可以降低回流比。此外,在工厂实际生产中,系统各种扰动对产品纯度、回收率产生不同的影响,为了保证产品质量合格、系统稳定运行,需要深入分析工艺特性,结合实际情况,制定合适的控制方案。因此,本论文针对精馏-蒸汽渗透耦合分离乙烯／乙烷系统制定了三种控制方案,建立相应的动态模型,并对不同模型中的参数进行比较,从而确定最优方案。具体研究内容如下： (1)提出了精馏-蒸汽渗透耦合分离乙烯／乙烷系统的三种控制方案。分析精馏塔控制要求和主要扰动因素,针对精馏-蒸汽渗透耦合分离系统,依据精馏塔精馏段温度控制理论提出了塔顶温度控制方案,该方案有效地控制塔顶产品质量；依据精馏塔压力控制理论和提馏段温度控制理论提出了塔顶压力-塔底温度控制方案,该方案可以有效克服进入提馏段的扰动,保证塔底产品质量；依据比值控制理论提出了回流比-再沸比控制方案,并分别给出了完整的控制方案图。 (2)建立了精馏-蒸汽渗透耦合分离乙烯／乙烷系统的动态模型。在UniSim Design软件中建立精馏-蒸汽渗透耦合分离系统稳态模型,并将UniSim Design模拟结果与文献数据进行对比、误差分析,最终确定所建精馏-蒸汽渗透耦合系统模型可用于进一步研究。根据提出的三种控制方案建立相应的动态模型,并给出各个模型的PID参数。 (3)精馏-蒸汽渗透耦合分离乙烯／乙烷系统动态模型的比较。分别对三个动态模型添加扰动,考察进料流量、进料热值变化时,三个动态模型中塔顶和塔底产品组成、塔顶和塔底产品流量、回流比、再沸比、冷凝器和再沸器液位、塔顶温度和压力、塔底温度随时间的波动情况。比较三个动态模型在相同扰动下各个参数的波动趋势及稳定性,最终确定回流比-再沸比控制方案抗扰动效果最好,参数稳定性好、所需稳定时间短,但塔顶温度控制方案简单、操作容易,更易于在实际应用中推广。 【关键词】：精馏-蒸汽渗透耦合 乙烯/乙烷 UniSim Design 稳态模拟 动态控制
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ221
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-11
• 1 文献综述11-25
• 1.1 乙烯发展现状11-13
• 1.1.1 乙烯的用途11
• 1.1.2 乙烯国内外发展现状11-12
• 1.1.3 乙烯的制备12-13
• 1.2 烯/乙烷分离工艺13-16
• 1.2.1 萃取精馏技术13
• 1.2.2 膜分离技术13-14
• 1.2.3 吸附分离技术14
• 1.2.4 吸收分离技术14
• 1.2.5 精馏-膜耦合系统14-16
• 1.3 化工过程模拟16-21
• 1.3.1 化工流程模拟概述及发展16-17
• 1.3.2 化工过程稳态模拟的应用17-18
• 1.3.3 化工过程动态模拟的应用18-19
• 1.3.4 化工过程稳态模拟与动态模拟的比较19
• 1.3.5 UniSim Design简介及应用19-21
• 1.4 过程控制理论21-24
• 1.4.1 自动控制理论的发展历程21-22
• 1.4.2 过程系统结构的发展历程22-23
• 1.4.3 精馏塔控制及应用23-24
• 1.5 选题依据与研究内容24-25
• 2 精馏-蒸汽渗透耦合系统控制方案25-30
• 2.1 精馏塔控制要求及主要干扰因素25-26
• 2.1.1 精馏塔控制要求25
• 2.1.2 精馏塔主要干扰因素25-26
• 2.2 精馏塔控制方案26-29
• 2.2.1 塔顶温度控制方案26-27
• 2.2.2 塔顶压力-塔底温度控制方案27-28
• 2.2.3 回流比-再沸比控制方案28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 精馏-蒸汽渗透耦合分离乙烯乙烷系统动态模型30-47
• 3.1 精馏-蒸汽渗透耦合分离系统稳态模型30-32
• 3.2 精馏-蒸汽渗透耦合分离系统稳态模型的验证32-33
• 3.3 动态参数设定33-40
• 3.3.1 压缩机参数设置33-34
• 3.3.2 控制阀参数设置34-35
• 3.3.3 塔参数设置35-36
• 3.3.4 膜组件参数设置36-39
• 3.3.5 冷凝器和加热器参数设置39-40
• 3.4 精馏-蒸汽渗透耦合分离系统动态模型40-46
• 3.4.1 PID参数对系统动态误差的影响40-41
• 3.4.2 动态控制模型的建立41-46
• 3.5 本章小结46-47
• 4 精馏-蒸汽渗透耦合分离乙烯乙烷系统控制方案比较47-61
• 4.1 进料流量变化对耦合系统的影响47-53
• 4.1.1 进料流量增大对耦合系统的影响47-50
• 4.1.2 进料流量减小对耦合系统的影响50-53
• 4.2 进料热值变化对耦合系统的影响53-59
• 4.2.1 热值升高对耦合系统的影响53-56
• 4.2.2 热值降低对耦合系统的影响56-59
• 4.3 本章小结59-61
• 结论61-63
• 论文创新点与展望63-64
• 参考文献64-69
• 附录A 参数名称及其单位69-70
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况70-71
• 致谢71-72

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