间歇式反应釜热传递模型建立及预热过程优化

论文摘要

间歇过程是化工生产中一种典型工艺过程,通常应用于生产批量小、反应时间长,或者在反应的不同阶段中对反应温度有各种严格要求的场合。由于其具有时变、非线性、反应机理复杂等特点,一直是过程控制领域的研究热点。目前实际应用的间歇过程控制系统大都是采用一些相当简单的控制策略。面对剧烈的市场竞争以及提高产品质量和国家节能减排的要求,对控制系统提出了越来越高的要求。釜式反应器是化工生产过程的核心设备,在聚合反应工艺操作过程中,反应釜的预热过程是聚合反应的前提,釜内温度能否达到物料反应温度的工艺要求直接影响着生产效率和产品质量。所以建立反应器热量传递模型并对预热过程进行优化对于实现聚合反应过程的先进控制具有重要的理论和实际意义。本文根据辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室50L间歇式反应釜的装置特性以及聚合反应过程的工艺要求,在对反应釜夹套加热系统的传热原理系统分析的基础上,根据热量平衡原理和夹套导热油和反应釜的热量传递关系,采用分布式建模方法建立了釜内温度变化与热电阻加热功率、加热时间的动态关系模型;通过实验获得了相关数据,并采用Levenberg-Marquard算法确定了模型参数;再利用实验数据和理论分析验证了模型的有效性。最后在此模型的基础上,根据工业生产中聚合反应的工艺要求,建立了以节能和提高产品质量为目标的间歇式反应釜预热过程优化模型,并采用惩罚函数法中的乘子法对优化问题求解,通过实验对优化结果进行了验证。实验结果表明:所提出的间歇式反应釜预热过程优化方案能够为达到聚合反应过程的节能和提高产品质量的综合优化目标奠定了重要基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 国内外的研究情况
• 1.3 间歇式生产过程中建模和优化的难点分析
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 间歇式反应釜控制系统介绍及建模优化分析
• 2.1 间歇式反应釜的系统结构
• 2.2 间歇式反应釜的工艺流程
• 2.3 间歇式反应釜的监控系统
• 2.4 间歇过程的建模和优化分析
• 3 间歇式反应釜动态热传递模型的建立
• 3.1 模型简介
• 3.1.1 模型的分类和建模基本步骤
• 3.1.2 间歇过程的建模概述
• 3.2 间歇式反应釜的特性分析
• 3.3 反应釜釜温关于加热棒加热功率以及加热时间关系模型的建立
• 3.3.1 导热油油温与加热棒加热功率以及加热时间之间的关系模型
• 3.3.2 反应釜釜温和导热油油温之间的热量传递关系模型
• 3.4 模型参数的估计
• 3.4.1 模型参数估计方法
• 3.4.2 Levenberg-Marquardt算法
• 3.4.3 导热油比热容和热损失的确定
• 3.4.4 釜温平衡时温度和釜温曲线变化率的确定
• 3.5 建立热传递动态模型并验证
• 3.5.1 热传递动态模型的确定
• 3.5.2 模型的验证
• 3.6 结论和分析
• 4 基于动态热传递模型对反应釜预热过程的优化
• 4.1 间歇过程模型优化基本概述
• 4.2 模型优化的数学表达方式
• 4.2.1 优化问题的常用数学描述方法
• 4.2.2 间歇式反应釜预热过程优化模型目标函数的提出
• 4.2.3 间歇式反应釜预热过程优化模型的约束条件
• 4.3 建立间歇式反应釜预热过程优化模型
• 4.3.1 间歇式反应釜预热过程优化模型成立的假设条件
• 4.3.2 建立间歇式反应釜预热过程优化模型
• 4.3.3 优化模型目标函数的归一化处理
• 4.3.4 确定优化模型
• 4.4 优化模型的求解
• 4.4.1 优化模型类别的判断
• 4.4.2 优化模型求解方法简介
• 4.4.3 优化模型求解的算法实现
• 5 预热过程优化模型的实验验证和分析
• 5.1 从节能的角度验证优化模型的有效性
• 5.2 从迅速提高反应釜釜温的角度验证模型的有效性
• 5.3 结论和展望
• 结论
• 参考文献
• 附录A 不同加热条件下夹套温度的最高值
• 附录B 节能条件下优化结果
• 附录C 迅速提高釜温条件下优化值
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢