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膜分离过程的优化与控制方法研究

王磊  
【摘要】: 膜分离技术兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能,是当今循环经济时代最受瞩目的一项高新技术;膜分离技术又具有高效、节能、环保、分子级过滤等特性,是企业实现绿色制造的一个重要手段。为了充分发挥膜分离技术的先进性,给应用膜分离技术企业带来最大的经济效益,在保证膜分离装置安全、稳定运行的基础上,还需要根据不同工艺流程的最佳工艺操作条件,保证膜的分离性能,并达到最高的回收率与纯度,这就为控制理论与控制工程提出了新的课题。本文以膜分离过程的优化控制为研究对象,以理想膜分离过程为目标,分别针对气体和液体膜分离过程的优化和控制方法开展研究,并结合新工艺实施方案中的具体要求,完成了如下主要工作: 1.针对利用TBM中低压气体膜分离技术回收炼厂气中氢气的两段流程控制中原料气入膜温度难以实现稳定控制的问题,提出了模糊自整定PID控制方法,进而实现了包括水冷器出口温度、旋风分离器液位、原料气入膜压力及一段和二段渗透气压力和原料气入膜温度等多个回路的自动控制。通过在镇海炼化的应用表明,该工艺流程设计合理,控制系统安全可靠,并在DCS上开发了基于机理模型的气体膜分离过程模拟系统,为装置的优化操作提供指导,从而为TBM膜在炼油厂的推广应用提供了成功示范。 2.针对气体膜分离过程重要性能参数难以在线检测的问题,建立了基于RBF神经网络的气体膜分离过程MIMO软测量模型,可以通过测量操作温度、原料气压力、渗透气压力、尾气压力、原料气流量和原料气氢浓度,对质量指标渗透气氢浓度和经济目标氢气回收率进行定量预测。仿真结果表明,该模型避免了机理模型的复杂性,而且具有较高的精度,从而为气体膜分离过程的先进控制APC (Advanced Process Control)及优化控制的实施奠定了建模基础。 3.在对气体膜分离原理及分离装置的运行特点深入研究基础上,分析比较了气体膜分离过程中原料气流量控制和渗透气流量控制的各种方案,提出了通过在尾气侧安装控制阀定量调节原料气流量和渗透气流量的控制原理及物料平衡的双重控制方法;在保证系统稳定的基础上,采用改进遗传算法GA (Genetic Algorithm)实现了氢气回收率的动态优化控制。该方法适用于所有气体膜分离过程中对处理气流量和渗透气流量的优化控制,并成功应用于洛阳石化从连续重整中高浓氢的提取和金陵石化从加氢裂化中高浓氢的提取过程,验证了本文控制方法的有效性。 4.针对液体膜分离浓缩过程采用纳滤随机清洗连续排料操作方式时原料罐液位的不能有效跟踪控制问题,提出了原料罐液位的选择性控制及以预测函数控制PFC(Predictive Functional Control)为监督层、常规PID为控制层的透明控制结构,实现了以常规PID为基础控制、PFC为设定值给定的原料罐液位的跟踪控制。通过在谷神集团的大豆低聚糖浓缩过程应用实践表明,所提出的优化策略稳定了操作过程,改善了产品质量,并提高了对工艺参数跟踪控制的精度,使膜系统达到了废水处理同时回收高附加值产品的理想效果,有利于膜技术在环境保护及特种分离领域的推广应用。 5.为实现膜分离过程的优化控制,提出了满足工业应用分离目标的、经济性最佳的理想膜分离过程的概念;在分析膜分离过程机理特性和工艺流程特点的基础上,提出了膜分离过程全集成优化控制系统的总体设计思想和设计原则,确定了由基础控制级、先进控制级和优化协调级组成的三级结构,进而为保证渗透气氢浓度的质量指标,并实现氢气回收率的优化目标,提出了先进控制与实时优化的炼厂气氢回收过程全集成优化控制系统完整解决方案。


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