带有降液管的多元精馏建模与仿真平台的开发

论文摘要

原油精馏装置是大型炼油厂及石油化工企业的关键设备,其安全、稳定、高效的运行直接影响整个企业的经济效益。在精馏生产过程中,是不允许在实际生产过程中直接应用提出的改进方案,因此必须首先进行计算机仿真,再应用于实际生产中。为实现对精馏装置的计算机仿真,本文结合实际工程需求,对多元精馏过程进行了研究,开发了仿真系统。论文的主要工作归纳如下：（1）在深入分析精馏过程原理的基础上,建立了精馏塔的动态仿真数学模型。现在的精馏塔模型多忽略降液管的影响和不考虑各塔板的实际压力的变化。这些假设简化了计算,但是导致模拟结果和真实的情况吻合不好,不能满足实际要求。针对上述问题,本文做了相应的修正：在考虑降液管影响的基础上,修正精馏塔的动态机理模型；根据塔内压力和气相负荷的密切关系,将塔压变化综合到模型中。（2）针对相平衡计算中的迭代计算问题,提出了采用最小二乘支持向量机预测多组分混合物泡点的算法。采用变阶变步长的Gear积分算法求解模型的刚性问题,能够获得较好的精度且运算时间较短；但在采用迭代求解算法多组分混合物相平衡的计算方面,存在运算量巨大,求解时间长等问题,无法满足实时动态模拟的要求。为了解决上述问题,提高机理模型的求解效率,本文提出了一种采用最小二乘支持向量机（LS-SVM）建立相平衡预测回归模型的算法。（3）为了验证所建机理模型的有效性,进行了稳态和动态仿真,得到一系列精馏塔组分浓度变化的过渡过程曲线和温度曲线。试验结果表明,该模型能够比较准确地模拟精馏塔的实际生产过程。（4）基于建立的动态机理模型,搭建了多元精馏过程的仿真系统（DUSS: Distillation Unit Simulation System）。仿真系统是以组态软件WinCC作为服务器,Matlab作为客户端,采用OPC技术实现了二者的实时数据传递。该仿真系统将Matlab的数学建模与仿真功能和WinCC的人机交互以及控制功能相结合,充分发挥了各自优势。

论文目录

• Abstract
• 摘要
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 精馏过程建模的意义
• 1.2 系统仿真的发展现状
• 1.3 全文概貌
• 2 精馏过程分离反应过程分析
• 2.1 概述
• 2.2 溶液的气液平衡
• 2.2.1 气液平衡常数
• 2.2.2 相对挥发度
• 2.3 相平衡系数
• 2.4 分离要求及物料衡算
• 2.4.1 分离要求
• 2.4.2 物料衡算
• 2.4.3 热量恒算
• 2.5 恒摩尔流假设
• 3 精馏塔的动态机理建模
• 3.1 精馏塔建模的基本方法
• 3.2 精馏塔的工作原理
• 3.3 精馏塔动态数学模型的建立
• 3.3.1 气、液流量在塔内的分布
• 3.3.2 不考虑降液管的情况
• 3.4 考虑降液管的影响
• 3.4.1 降液管模型
• 3.4.2 考虑降液管后修正的机理模型
• 3.5 精馏塔温度
• 3.5.1 影响温度分布的因素
• 3.5.2 温度计算
• 4 精馏塔过程仿真分析
• 4.1 相平衡预测模型
• 4.1.1 LS-SVM回归算法
• 4.1.2 LS-SVM参数优化
• 4.1.3 相平衡预测模型的建立
• 4.2 精馏塔稳态仿真分析
• 4.3 精馏塔动态仿真分析
• 5 精馏塔仿真系统（DUSS）开发
• 5.1 DUSS简介
• 5.2 DUSS的软件设计
• 5.2.1 DUSS的人机界面设计
• 5.2.2 DUSS数据通信
• 结论
• 参考文献
• 附录A 精馏塔的Matlab仿真程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢