复杂分离过程模拟与优化中的若干问题研究

论文摘要

典型的化学工业装置由核心反应过程和相关的原料预处理/产品分离过程构成,分离过程是过程装置中获得较高纯度的产品所不可或缺的重要单元。本文对工业生产中具有大规模、高纯度、强耦合和变工况等特征的复杂分离过程进行了建模、求解和优化研究,并应用于工业装置生产过程。论文的主要工作包括以下几个方面:(1)修正高纯度热力学模型,改善气液平衡过程计算精度。以多级气液平衡过程为主的分离过程是生产高纯度产品的重要单元操作,它不同于普通分离过程的一大特点是在高浓度区有着很强的非线性特征,由于常规气液平衡实验很难在高纯度条件下进行,常规的外推方法用于高纯度体系的热力学模型时误差较大。论文提出了使用工程数据回归热力学参数的准则和方法,并证实了热力学参数对高纯度体系分离过程的影响要远远大于普通物系。针对这一情况,本文讨论了受过程不确定性影响的热力学参数估计方法,并采用工业装置数据进行验证。(2)针对有扰动的分离单元建立进料观测器。化工过程会受到装置中各种因素影响以及用户产量需求变化而发生波动。如果进料偏离设计值而设备仍然采用原始设计条件操作,那么设备就很难维持在一个优化的操作点。当进料不可测时,很有必要为多级分离过程建立一个进料观测器以帮助过程优化。本文以机理模型为基础,提出了使用塔板温度分布预测精馏塔进料的软测量技术,并对该技术的可行性进行了理论分析与仿真验证。(3)提出改善大规模变工况模拟与优化问题收敛效果的回溯同伦技术。化工装置中的大规模和热耦合特征给系统模型求解带来很大困难,大量设备热耦合导致模型约束大量增加,模型变得复杂。各种牛顿法及改进牛顿法以梯度法为特征,收敛速度很快,但是对初值的要求比较高。变工况操作时,很难保证过程模拟和优化计算始终收敛。本文提出了一个基于回溯机制的同伦算法用于大范围过程计算,通过表征不同工况的变工况参数构造同伦计算路线,改善了牛顿法对初值要求高的缺点。(4)研究了低温精馏空分装置变负荷控制系统中的优化问题。低温空分是用于大规模生产高纯度氮、氧、氩产品的工业过程,几乎具有本文所研究的复杂分离过程的所有特征,如大规模、高纯度、强耦合和变负荷等,是典型的复杂分离过程。针对两套典型的工业低温空分装置——内压缩和外压缩无氢提氩制氧流程,本文进行了建模、求解和优化工作,讨论了空分装置的热力学参数估计,并探索了适用于工业装置的模型变量设定和数据调和方案。在此基础上,本文使用HBM解决了RTO计算的关键问题,包括空分装置的变负荷可行域求解方法、热耦合所引起的变量不连续问题的收敛和不等式约束的同伦处理方法。针对工业生产,提出了能耗最低、产品合格的空分自动变负荷优化方案,核定了空分装置的合理产量组合,给出了与MPC同时作用于控制器的最佳操作变量前馈值,并成功应用于工业生产装置。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复杂分离过程的建模与优化背景
• 1.2 复杂分离过程的模型化综述
• 1.2.1 非线性代数方程（NLEs）模型
• 1.2.2 微分-代数混合（DAEs）模型
• 1.3 流程模拟与优化问题的求解方法
• 1.3.1 序贯模块法
• 1.3.2 联立方程法
• 1.4 优化求解算法
• 1.4.1 序列二次规划算法（SQP）
• 1.4.2 全空间稀疏SQP算法和简约空间SQP算法
• 1.4.3 基于修改障碍函数的内点方法
• 1.4.4 全局收敛的信赖域法、区间法和同伦法
• 1.5 模拟与优化技术在复杂分离过程中的应用
• 1.6 论文安排
• 第二章 基于过程数据的高纯度体系热力学参数估计方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 高纯度体系热力学参数估计的方法与可行性分析
• 2.2.1 热力学参数估计的计算原理
• 2.2.2 多级分离过程高纯度热力学参数估计的可行性分析
• 2.3 高纯度体系热力学参数估计
• 2.3.1 高纯度体系热力学参数估计命题
• 2.3.2 高纯度体系热力学参数估计的计算框架
• 2.3.3 热力学参数估计的结果分析
• 2.4 测量噪音的影响
• 2.5 过程模型参数不确定性的影响
• 2.5.1 高纯度体系热力学参数估计的鲁捧性分析
• 2.5.2 普通纯度体系热力学参数估计的鲁捧性分析
• 2.5.3 高纯度体系的序贯参数估计方法
• 2.6 高纯度工业解吸塔工程实例
• 2.6.1 热力学参数估计命题
• 2.6.2 命题的可行性分析
• 2.6.3 单个热力学参数的估计结果分析
• 2.6.4 基于多参数模型的热力学参数估计结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于温度分布的精馏塔进料观测器研究
• 3.1 引言
• 3.2 观测器原理及可行性分析
• 3.2.1 基于机理模型的观测器原理
• 3.2.2 观测器的可行性分析
• 3.3 测试算例
• 3.4 单变量观测结果
• 3.4.1 温度测点方案的影响
• 3.4.2 测量噪音的影响
• 3.5 多变量观测结果
• 3.5.1 单进料多变量灵敏度分析
• 3.5.2 单进料多变量预测结果
• 3.5.3 至少一个进料状态变量已知的双进料多状态变量观测
• 3.5.4 进料状态全未知的多进料观测
• 3.6 本章小结
• 第四章 大规模变工况流程模拟的回溯同伦算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 回溯同伦算法
• 4.2.1 求解大规模变工况模拟优化问题的关键技术
• 4.2.2 变工况同伦序列问题构造
• 4.2.3 HBM的算法实现
• 4.3 测试算例
• 4.4 性能分析与讨论
• 4.4.1 算法大范围收敛性能测试
• 4.4.2 流程物理边界搜索
• 4.4.3 回溯系数的影响
• 4.4.4 多维工况变量
• 4.5 本章小结
• 第五章 工业低温空分装置建模与求解
• 5.1 引言
• 5.2 基于ASPENPLUS的低温空分流程建模及求解
• 5.2.1 算例5-1:内压缩低温空分流程
• 5.2.2 算例5-2:外压缩低温空分流程
• 5.2.3 算例5-1及算例5-2的热力学模型选择
• 5.2.4 算例5-1及算例5-2的稳态模拟结果对比
• 5.3 面向工业装置操作与控制的流程模拟要解决的关键问题
• 5.3.1 过程模型的变量设置方案
• 5.3.2 过程模型的参数估计
• 5.3.3 过程模型的数据调和
• 5.4 低温空分流程的动态模拟
• 5.4.1 动态模拟模型
• 5.4.2 动态模拟的结果问题分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 低温空分装置自动变负荷生产中的优化方法与应用
• 6.1 引言
• 6.2 自动变负荷控制系统技术架构
• 6.3 自动变负荷生产中的优化命题构建
• 6.3.1 自动变负荷问题的变量设置方案
• 6.3.2 自动变负荷的优化命题
• 6.4 同伦法解决变负荷优化命题的关键问题
• 6.4.1 工况可行域分析
• 6.4.2 同伦法求解近似不连续解
• 6.4.3 不等式约束的同伦路线构造
• 6.5 自动变负荷优化结果与工业装置数据对比
• 6.5.1 自动变负荷问题的可行产量组合
• 6.5.2 自动变负荷问题的物理边界分析
• 6.5.3 自动变负荷优化结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的重要科研项目