化工过程的优化设计与控制

《化工过程的优化设计与控制》共分10章，在分析精馏塔动态特性与控制方法的基础上，结合实例详细介绍了变压精馏分离方案的建立与具体模拟步骤，随后分别讨论了萃取精馏和变压精馏分离*共沸物、分离共沸物系的精馏隔壁塔应用、具有特殊共沸特性的共沸物变压精馏分离、三元共沸物系变压精馏分离、二氧化碳捕集、三元物系间歇精馏分离过程的优化设计及控制方法，*后综合讨论了工业典型案例——醋酸丁酯生产工艺的优化设计与控制。本书力求在关注学科*发展动态，并结合青岛科技大学科研特色的基础上，系统介绍化工过程的设计与控制思路及具体做法，并对工艺技术方法提出各种先进的改进措施，帮助读者尽快树立工程设计及控制观念。《化工过程的优化设计与控制》可作为高等院校化工及相关专业（石油、制药、生物、环境、自动化、冶金等）的辅助教材使用，也可供有关部门从事科研、设计和生产的技术人员参考。

王晓红，青岛科技大学化工学院，化工原理教研室主任，副教授，作者自1993年至今,在青岛科技大学化工学院化工原理教研室工作,承担了大量的化工原理各教学环节工作,积累了丰富的教学经验.科研方面主要从事化工系统工程方向的研究工作,正在承担和已经完成多项科研项目,内容涉及化工过程模拟优化、系统综合和故障诊断。

第1章精馏塔动态特性与控制方法1

1.1精馏塔控制原则1

1.2精馏塔的扰动分析2

1.2.1精馏塔动态特性2

1.2.2精馏塔动态影响2

1.3精馏塔被控变量分析3

1.3.1组成控制3

1.3.2温度控制3

1.3.3控制器调谐5

1.3.4中继反馈测试5

1.4精馏塔整体控制方案6

1.4.1基础控制6

1.4.2质量指标反馈6

1.4.3双重质量指标8

1.4.4精馏塔塔压控制9

1.4.5高级控制系统在精馏控制中的应用11

参考文献13

第2章变压精馏分离流程的开发步骤与方案实例14

2.1变压精馏分离流程稳态优化设计15

2.1.1高压塔（HPC）、低压塔（LPC）塔压的确定15

2.1.2塔序列的确定16

2.1.3建立变压精馏工艺流程16

2.1.4稳态流程优化19

2.2由稳态模拟转换为动态模拟21

2.2.1流程设置21

2.2.2确定设备尺寸22

2.3导入Aspen Plus Dynamics26

2.3.1Aspen Plus Dynamics的启动与初始化26

2.3.2Aspen Plus Dynamics默认控制器28

2.4无热集成变压精馏分离流程的控制研究29

2.4.1回流罐液位控制器30

2.4.2塔釜液位控制器33

2.4.3进料流量控制器35

2.5安装温度控制器37

2.5.1安装塔板温度控制器37

2.5.2捕捉屏幕布局40

2.5.3安装死时间元40

2.5.4中继-反馈测试41

2.6带有回流比的控制结构46

2.6.1安装回流比控制46

2.6.2进料流量扰动48

2.6.3进料组成扰动52

2.7采用再沸器热负荷与进料比控制温度的控制结构54

2.7.1安装控制结构54

2.7.2进料流量扰动58

2.7.3进料组成扰动60

2.8组成-温度串级控制62

2.8.1安装组成控制器并调谐62

2.8.2进料流量扰动64

2.8.3进料组成扰动65

2.8.4Matlab绘制进料流量扰动图65

2.8.5Matlab绘制进料组成扰动图71

2.9部分热集成变压精馏分离流程的控制研究77

2.9.1基本温度控制结构77

2.9.2改进的组成-温度控制结构79

2.10完全热集成变压精馏分离流程的控制研究82

2.10.1基本控制结构82

2.10.2压力补偿温度控制结构84

2.10.3改进的压力补偿温度控制结构87

2.11不同进料组成对变压精馏塔序及动态控制的影响90

2.11.1稳态流程优化90

2.11.2用于不同进料组成的变压精馏方案讨论93

参考文献95

第3章萃取精馏分离共沸物96

3.1正庚烷-异丁醇共沸物分离的萃取精馏工艺稳态设计及动态控制96

3.1.1基于TAC小的稳态流程优化96

3.1.2动态控制研究99

3.2THF-乙醇共沸物分离的萃取精馏工艺稳态设计及动态控制109

3.2.1过程稳态优化109

3.2.2过程动态控制110

参考文献116

第4章变压精馏分离共沸物117

4.1乙腈-正丙醇共沸物分离的变压精馏工艺稳态设计及动态控制117

4.1.1过程设计117

4.1.2过程优化118

4.1.3动态控制研究120

4.2乙醇-四氢呋喃共沸物分离的变压精馏工艺稳态设计及动态控制129

4.2.1流程设计与优化129

4.2.2动态控制研究132

4.2.3部分热集成(PHIPSD)与萃取精馏(ED)过程比较141

4.2.4不同进料组成的部分热集成工艺过程比较142

参考文献146

第5章分离共沸物系的精馏隔壁塔148

5.1分离乙腈-正丙醇物系萃取精馏隔壁塔的优化设计与控制149

5.1.1过程设计149

5.1.2过程优化150

5.1.3萃取精馏隔壁塔动态控制研究150

5.2分离正丙醇-水物系的共沸精馏隔壁塔的过程设计及控制研究161

5.2.1过程设计161

5.2.2灵敏度分析及经济优化162

5.2.3共沸精馏隔壁塔的动态控制研究168

参考文献175

第6章特殊共沸特性的共沸物变压精馏分离177

6.1变压精馏过程设计与优化179

6.1.1过程设计179

6.1.2优化179

6.2变压精馏过程的动态控制研究184

6.2.1常规变压精馏过程的动态控制184

6.2.2非常规变压精馏过程的动态控制190

6.3两种过程的比较193

参考文献194

第7章三元共沸物的变压精馏分离195

7.1基础设计195

7.1.1物性方法195

7.1.2经济优化196

7.2三塔变压精馏工艺分离过程196

7.2.1利用剩余曲线图进行过程分析196

7.2.2压力确定196

7.2.3优化199

7.3分离序列的确定201

7.4热集成过程设计206

7.4.1部分热集成206

7.4.2完全热集成208

7.5动态控制研究208

7.5.1无热集成流程控制209

7.5.2部分热集成流程的控制215

7.5.3完全热集成三塔变压精馏流程的控制220

7.5.4比较222

参考文献224

第8章二氧化碳捕集225

8.1稳态流程225

8.1.1流程设计225

8.1.2物性方法选择226

8.2动态模拟和控制策略228

8.2.1基础控制结构228

8.2.2改进控制结构230

参考文献233

第9章三元物系的间歇精馏分离234

9.1带有中间储罐的间歇精馏过程的稳态计算234

9.2间歇精馏的动态控制236

9.2.1间歇精馏初始条件设置236

9.2.2组成控制结构236

9.2.3温度控制结构240

9.2.4控制结构的比较248

参考文献249

第10章醋酸丁酯生产工艺的优化设计与控制250

10.1稳态工艺设计250

10.1.1工艺流程250

10.1.2反应动力学251

10.1.3气液相平衡251

10.1.4流程设计规定252

10.2过程经济优化253

10.2.1优化方法253

10.2.2优化过程253

10.2.3无热集成工艺优化253

10.2.4部分热集成工艺优化256

10.2.5完全热集成工艺优化257

10.3全流程动态控制研究258

10.3.1无热集成流程动态控制258

10.3.2部分热集成流程动态控制277

参考文献284

 

化工过程模拟对于化工过程的设计、经济评价、节能优化、动态控制起着重要的指导作用，国内出版了几部介绍化工流程模拟软件的著作，有力地推动了化工模拟技术的发展，但主要内容侧重Aspen Plus软件稳态模拟方面的使用，较少涉及动态控制的详细介绍，因此进行常见化工分离过程动态控制方案的设计，是本书的重点内容。《化工过程的优化设计与控制》采用化工流程动态模拟软件Aspen Dynamics，针对典型化工案例，系统介绍化工过程的设计与控制思路及具体做法，并对工艺技术方法提出各种先进的解决措施，帮助读者尽快树立工程设计及控制观念。书中大量典型实例的详细介绍与相关的优化及控制理念与方法对化工专业本科生、研究生及化工研究院、设计院的工程师有一定的参考价值。本书工作得到国家自然科学基金项目“基于智能型遗传规划的精馏膜分离新型集成工艺优化研究（21676151）”与“两两共沸型均相三元物系萃取精馏中的定量构效模型与控制策略（21776145）”的资助，同时是2015年度山东省本科高校教学改革研究重点项目“基于拔尖创新型人才培养模式的化工过程与工程模拟课程群建设研究（2015Z047）”、山东省精品课程“化工原理”的重要建设内容。作者在编写本书时，力求深入浅出、循序渐进、层次分明、论述严谨，同时注意引入过程工业领域不断更新的思路、方法与技术。本书包括十章内容。首先介绍精馏塔的动态控制原理，通过具体的分离实例，详细说明了如何对典型化工单元操作进行过程动态控制方案的优化设计。然后列举了变压精馏和萃取精馏分离共沸物的方法，包括如何在稳态工艺的基础上开发稳健的控制结构以及如何在稳态经济性和动态控制性能方面进行权衡。后面几章包括二氧化碳捕集、三元体系间歇精馏过程、非均相隔壁塔等相对专业性较强且为当前研究热点的几个专题，后给出了一个完整生产工艺流程及其热集成工艺的优化设计与控制。青岛科技大学化工学院的王晓红编写了第1、3～5章及第10章，王英龙编写了第2、6～8章及第9章内容，同时参加编审核对工作的有青岛科技大学化工学院的项曙光、朱兆友、李玉刚、田文德、王许云、张青瑞、杨霞、孙晓岩、夏力老师，及研究生田鹏、田光珍、谢力、张远鹏、于新帅、李明高、李文魁、崔培哲、孟庆信、王丽丽、张震、梁石生、李鑫、徐东芳、卜光乐、曹玉娟、刘薇、刘兴振、赵永滕、王永坤、赵婷然、李敏、贾慧、胡佳静、王勇，对此，一并致以诚挚谢意。由于水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者提出宝贵意见。编者2017年4月