過程設(shè)計控制及優(yōu)化大作業(yè)

1、過程優(yōu)化與設(shè)計結(jié)課作業(yè) 班級： 姓名： 學號：1 問題描述 給定一個精餾塔用來分離組件混合物A和B，A和B的相對揮發(fā)度為2，工作壓力為9巴。其進料流量為100摩爾/ s，成分組成比為ZA：ZB0.5:0.5。頂部和底部的產(chǎn)品成分分別為0.95（A）和0.95（B）。A和B組成的混合物的潛熱是6944卡/摩爾，并且它們滿足不斷溢出條件。系統(tǒng)濃度為1mol，冷凝器和再沸器為30mol，系統(tǒng)液壓時間常數(shù)為8秒。2 設(shè)計一個理想的精餾塔控制（1） 建立精餾塔的靜態(tài)模型和動態(tài)模型A. 靜態(tài)模型實際的精餾過程是一個復雜的動態(tài)過程，由于建立模型是所作的假設(shè)不同，動態(tài)精餾過程數(shù)學模型的簡繁程度也不同，模擬的計

2、算結(jié)果與實際情況之間有大小不同的偏差。所以我們進行一些假設(shè)。模型假設(shè)：i）每塊塔板上汽相與液相分別為理想混合，因而兩相都可以采用集中參數(shù)模型； ii）兩組分的摩爾汽化潛熱近似相等，汽相和液相在沿塔軸向運動過程中，顯熱變化對熱量衡算的影響以及熱損失的影響均可忽略不計； iii）整個塔中苯對甲苯的相對揮發(fā)度保持恒定；1. 質(zhì)量守衡方程冷凝器 (j = 1) V2*yi,2-L1*xi,1-D*xi,1=0 （1.1）中間塔板 (1 j N ) Vj+1*yi,j+1+Lj-1*xi,j-1-Lj*xi,j-Vj*yi,j+Fj*zi,j=0 (1.2)再沸器 (j = N) LN-1*xi,N-1

3、 - LN*xi,N - VN*yi,N = 0 (1.3)2. 能量守衡方程冷凝器 (j = 1) :V2*H2-L1*H1-D*H1 = 0 (2.1) 中間塔板 (1 j N )Vj+1*Hj+1+Lj-1*Hj-1-Lj*Hj-Vj*Hj+Fj*Hj=0 (2.2)再沸器(j = N) LN-1*HN-1-LN*HN-VN*HN=0 (2.3)3. 氣液平衡方程 yi=*xi/(-1)*xi+1 (3.1) Pj=xA,jPAs + xB, jPBs (3.2) LnPis = Avp, iBvp, i/Tj (3.3) A(Avp/Bvp)=12.3463/3862 B(Avp/Bv

4、p)=11.6531/3862 4. 歸一化方程Sumxi, j = 1.0 j = 1, , N; i = A, B (4.1) Sumyi, j = 1.0 j = 1, , N; i = A, B (4.2) B.靜態(tài)模型 塔內(nèi)共有N-1塊塔板，以J表示塔板序號，自上而下，將冷凝器和塔頂儲罐作為一塊塔板將再沸器和塔釜作為第N塊塔板。進料中含有A,B兩種組分。每塊塔板均有出料或進料，與外界熱量交換可忽略不計。模型假設(shè)：iv）塔內(nèi)壓力恒定； v）離開每一塊塔板的汽液兩相處于平衡狀態(tài)； vi）每塊塔板上的持液量遠大于持汽量，后者及其變化可以忽略不計； vii）每塊塔板上的液相充分混合且溫度分布

5、均勻； viii）塔板間汽液相的傳遞滯后忽略不計 xi）忽略再沸器和冷凝器的動態(tài)行為即能量平衡方程為擬穩(wěn)態(tài)的；1.質(zhì)量守衡方程冷凝器 (j = 1) d(L1*xi,1)/dt=V2*yi,2-L1*xi,1-D*xi,1 （1.1）中間塔板 (1 j N ) d(Lj*xi,j)/dt=Vj+1*yi,j+1+Lj-1*xi,j-1-Lj*xi,j-Vj*yi,j+Fj*zi,j (1.2)再沸器 (j = N) d(LN*xi,N)/dt=LN-1*xi,N-1 - LN*xi,N - VN*yi,N (1.3)2.能量守衡方程冷凝器 (j = 1) :d(L1h1)/dt=V2*H2-L

6、1*H1-D*H1 (2.1) 中間塔板 (1 j 0 為濾波器的時間常數(shù)，是內(nèi)?？刂破鲀H需要調(diào)節(jié)的設(shè)計參數(shù)。第3 步：整定濾波器常數(shù)r，使控制系統(tǒng)的魯棒性和控制性能達到最優(yōu)。整理得： f(s)通常表示一個低通濾波器的傳遞函數(shù)，即f(s)= 1/(1+rs)，將其帶入上式得： 第4 步：將內(nèi)?？刂破鬓D(zhuǎn)化為反饋控制器的形式，再利用長除法將反饋控制器轉(zhuǎn)化為標準的PID控制器形式有：1）輸入為回流量R時的標準PID控制器參數(shù)為 2）輸入為塔底蒸汽流量時的標準PID控制器參數(shù)為： 結(jié)果分析： 把設(shè)計的解耦控制器和基于解耦的內(nèi)模PID控制器應(yīng)用到A和B的相對揮發(fā)度為2的系統(tǒng)當中，驗證解耦控制器的性能，在

7、R= 0 和S= 0 兩種情況時，擾動輸出波形都有個震蕩后又回到0，而另外的波形則與R=1 和S=1 波形完全一樣，所以說應(yīng)用對角矩陣法設(shè)計的解耦控制器是正確的，這樣塔頂輕組分和塔底輕組分之間的耦合性消除了，可以分別實現(xiàn)精確控制。而且原來已經(jīng)達到穩(wěn)定的系統(tǒng)受到干擾信號的影響后，雖然產(chǎn)生了較大的波動，但是在很短的時間很快又恢復穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，對于典型的二元精餾塔被控對象所設(shè)計的基于解耦的內(nèi)模PID控制器，增強了精餾塔系統(tǒng)的魯棒性，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。（4） 優(yōu)化方案精餾塔作為一個動態(tài)復雜、耦合與滯后現(xiàn)象嚴重的系統(tǒng)，這使得在實際的化工生產(chǎn)中設(shè)計精餾塔控制比較困難，且要求系統(tǒng)要有較高的魯棒性

8、。而對于常規(guī)的魯棒控制算法根本無法完成，這就給實際工程人員的使用帶來了相當大的困難。針對上述問題，本文通過把基于解耦的內(nèi)模PID控制器作為典型二元精餾塔被控對象的補償器，從而簡化了原有系統(tǒng)的復雜性，又改善了系統(tǒng)的性能。且相對于內(nèi)?？刂贫?，內(nèi)模PID控制是是復雜的精餾塔系統(tǒng)克服干擾的一種較好的控制方案，這在未來的工程實踐中有很好的發(fā)展前景。流程優(yōu)化的經(jīng)濟基礎(chǔ)：組分A價格增加5%目標函數(shù)：J = D cD - Qcon ccon - Qreb creb 約束條件：(1) 靜態(tài)模型 (2) xtop, A 0.95假定混合液的價格是3美元/千摩爾，則：組分A價格減少5%目標函數(shù)：J = D cD

9、- Qcon ccon - Qreb creb 約束條件：(1) 靜態(tài)模型 (2) xtop, A 0.95假定混合液的價格是3美元/千摩爾，則：組分A與組分B的比變?yōu)?.4 / 0.6目標函數(shù)：J = D cD - Qcon ccon - Qreb creb 約束條件：(1) 靜態(tài)模型 (2) xtop, A 0.95假定混合液的價格是3美元/千摩爾，則：組分A與組分B的比變?yōu)?.6/ 0.4目標函數(shù)：J = D cD - Qcon ccon - Qreb creb 約束條件：(1) 靜態(tài)模型 (2) xtop, A 0.95假定混合液的價格是3美元/千摩爾，則：總結(jié)： 過程控制和過程優(yōu)化設(shè)

10、計是緊密聯(lián)系在一起的。如何處理它們之間的相互作用影響工藝經(jīng)濟過程的動態(tài)性和可控性。靜態(tài)過程建模的基本原理，要包括質(zhì)量，能量和動量守恒。解決策略應(yīng)與應(yīng)用方式一致，即應(yīng)用程序需要確定的解決方法。靜態(tài)模型可以大大影響處理過程綜合與設(shè)計。流程整合和集約化需要一定基本原則。一般來說，前者可以提高工作效率（在大多數(shù)情況下，在資本投資費用），后者不僅可以提高工作效率而且減少資本投資。流程整合和集約化依賴對過程機理的認識，一般需要先進的技能。靜態(tài)可控性評估在實際中具有重要意義。過程綜合與設(shè)計過程的動態(tài)性和可控性可控性評估可以通過靜態(tài)平衡。以一個理想的精餾塔為例，靜態(tài)可控性評估的重要性已被證明的工藝設(shè)計與運行。動態(tài)過程的建模要考慮