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《南京工业大学》 2003年
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综合建模方法和先进控制技术在两个化工过程中的应用

张湜  
【摘要】:本文研究了苯丙酮酸合成装置和丁二烯生产装置两种不同化工过程的建模和控制问题。 由我校开发的酶法合成L—苯丙氨酸工艺过程包括苯丙酮酸合成及转氨反应生成L—苯丙氨酸两部分,都是典型的间歇化工过程。本文研究了其中苯丙酮酸生产装置的建模和控制问题,主要包括羰基化反应动力学模型、羰基化反应过程建模与控制以及苯丙酮酸盐结晶过程粒度分布的模型化等方面。这些工作对于L—苯丙氨酸的大规模工业化生产是有益的前期研究。 扬子公司的丁二烯生产装置是基于日本瑞翁技术的连续性大型石化工业生产过程,包括了萃取精馏、压缩、精馏等工段。利用该生产装置将控制仪表从常规仪表改换为计算机集散控制系统(DCS)的有利时机,本文对其精馏工段的建模和先进控制问题进行了研究与开发。这一部分的研究成果已经在实际生产装置上投入使用,受到用户的肯定,并获得了显著的经济效益。为了获得现场数据,本文还进行了工业控制网络中数据通讯问题的研究,解决了低成本实现异种机之间通讯难题,为建模和控制工作提供了基础。 本文的内容一共分为三大部分。 第一部分是综述。包括关于化工过程建模问题和化工过程控制问题的综述。分别在第1和第2章讨论。 第二部分是关于L—苯丙氨酸工艺过程中苯丙酮酸生产过程的研究,包括第3、4、5章。L—苯丙氨酸是一种重要的医药、食品工业原料。我国目前还不能进行大批量工业化生产。自1980年代后期,在我国着手进行了L—苯丙氨酸生产技术的研究和开发。但至今没有实现大规模工业化生产。主要原因是成本较高,产品缺乏市场竞争力。我校开发的酶法合成L—苯丙氨酸生产技术,具有大规模工业化生产的前景,其中苯丙酮酸的生产过程是最重要的工序。由氯苄双羰基化反应生成苯丙酮酸是L—苯丙氨酸生产工艺的重要环节。本文在第3章将机理方法与统计学方法相结合,建立了氯苄双羰基化反应的动力学模型。在第5章中进 一步利用很少量的实验数据,通过人工神经网络与非线性回归分析相结合的方 法,建立了能够较好反映该过程操作特性的本征模型。在此基础上,提出了基于 内模控制和推断思想的控制方案。初步的仿真工作证明了这一先进控制方案的可 行性。在第4章中,本文研究了苯丙酮酸盐结晶过程晶体粒度分布的模型化问题。 晶体的粒度分布反映了结晶过程操作的质量,需要严格加以控制。本文提出将整 个反应器设想为两个串联连接、相互间有返混的全混流反应器,从而解决了反应 器内晶体粒数分布不均匀的难题。然后将连续粒度加以离散化,避免了求解偏微 分粒数平衡方程困难,最终建立了结构简单、便于求解的苯丙酮酸盐结晶过程晶 体粒度分布的数学模型,用于预测该结晶过程的粒度分布,具有较高的实用价值。 并且,其思路同样可以应用在苯丙氨酸盐的结晶过程。 第三部分是关于丁二烯精馏装置建模头珍控制的研究、开发工作。包括第 6、7、8章。在第6章中,本文提出了(DeltaV)工业DCS通讯方案,低成本 地解决了现场数据通讯问题,为后续的建模和控制工作提供了方便。在第7章, 本文采用多种回归分析方法(线性回归、非线性回归、具有动态补偿的回归以及 利用过程微分信息的回归分析方法等),建立了5个丁二烯精馏系统的软测量模 型。由于建模方法的简洁实用性以及在线校正模块的有效可靠性,保证了这些软 测量模型能够很好地实现精馏塔成分的在线软测量。现场运行效果很好,为操作 人员提供了操作依据,并为实施先进控制策略奠定了基础。本文在第8章中设计 了该丁二烯精馏系统的先进控制系统。该控制系统一共包括4个控制回路,分别 为基于上述软测量模型的推断控制、复合推断控制、约束推断控制以及优化推断 控制。这些控制回路都已经实际运行,并产生了效果。不仅减轻了操作人员的劳 动强度,减少了事故的发生,降低了能耗,提高了生产装置的运行质量,并由于 减少丁二烯的损耗而产生了较大的经济效益。据粗略统计,由此一项带来的经济 效益可达100万元/年。 此外,作者在该装置上的另一项研究工作是开发了全装置的生产负荷自动升 降控制系统。因篇幅限制,该项工作没有在本文中加以反映。 本文研究工作的创新点主要有: 一、研究了氯节双拨基化反应的建模和控制问题。建立了动力学模型和用于 一-一_____一----一--一一---一---一-—一_—一 控制目的的本征模型,并提出了基于内模控制原理和推断控制思想的控制方案。 这些工作未见到有文献报道。 二、建立了工业丁二烯精馏系统的软测量模型。该组模型形式简单,便于在 一——一-—一___一__一____一--一-一----一---、--一 工业DCS上实施,占用系统资源很少,运行可靠有效。基于这些软测量模型提 出了以推断控制为基础的先进控制系统。这些控制回路基本上只需要利用DCS 的组态软件就可实现。由于考虑了工业现场的实际情况,增加了约束控制和优化 控制等功能,所以很好地解决了由于老装置超负荷运行的控制难题,并获得了可 观的经济效益。这项工作未见文献报道,作者己着手申请专利。
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