（检测技术与自动化装置专业论文）苯塔动态模拟仿真及控制研究.pdf

摘要 摘要 题目：苯塔动态模拟仿真及控制研究 专业：检测技术与自动化装置 研究生：李言德 导师：刘飞教授 精馏技术在现代化工领域发挥着越来越重要的作用，同时化工设备、工艺的计算机 模拟也已成为化学工业领域发展改进的十分重要的手段，对精馏装置、设备的计算机模 拟以及在此基础上的控制策略实施越来越被人们所认可和重视。本文以精馏模拟作为课 题载体，以数学计算软件做为工具平台，对苯塔的动态流程及部分变量的控制策略的应 用进行了模拟仿真，同时对精馏程序以及人机交互程序的开发利用作了相关的研究。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 首先是对苯塔精馏数学模型的建立与分析，在o d e 函数求解条件、求解格式 等诸多约束下，对模型的算法步骤作了分析，并提出较为合理的运算流程方案。然后， 利用所建立的流程方案对模型进行了求解。同时，利用化工专业软件a s p e np l u s 软 件对所描述模型对象作了模拟仿真，并且采用了三种不同的物性运算方法，其中包括两 种a s p e n 用户指南中推荐的两种方法、一种未推荐方法。最后对各个算法得到的结果 进行了分析、比较，为以后自主编程提供了改进基础。各项结果表明，本文建立的机理 模型能够很好的表现实体设备的各项特性。 ( 2 ) 对模型进行了仿真交互程序的设计，详述了模型程序界面编译的设计及制作过 程，以及在目标计算机中的安装运行情况，并将在目标计算机运行情况作了较为详细的 分析与比较，表明编译完成的交互式程序具有较强的应用性。 ( 3 ) 对苯塔模型进行了先进控制方法的研究，以文中第二章建立的苯塔模型为对象 模型，利用支持向量机建立进料流量与塔顶组分中苯浓度比的单输入单输出的预测模 型，采用模糊预测控制，研究了在控制策略作用下进料流量对塔顶组分中苯浓度比的控 制作用，研究结果表明在模糊预测控制的作用下，通过调节进料流量能够使塔顶组分中 苯的浓度比达到合格产品的浓度比要求。 最后是对全文的总结和展望。 关键词：仿真；模糊预测控制；m a t l a b ；精馏；a s p e np l u s ； a b s t r a c t a b s t r a c t d i s t i l l a t i o nt e c h n o l o g yh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h em o d e mc h e m i c a li n d u s t r y , m e a nw h i l et h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h ec h e m i c a le q u i p m e n ta n dc h e m i c a l p r o c e s sh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n td e v i c ef o rt h ed e v e l o p i n ga n da m e l i o r a t i n go ft h e c h e m i c a li n d u s t r y t h ec h e m i c a le q u i p m e n tc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yb a s e d o ni th a v eb e e nr e c o g n i z e db yp e o p l ei n c r e a s i n g l y i nt h i sp a p e r , d i s t i l l a t i o ns i m u l a t i o na st h e p r o b l e mc a r r i e r , m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r ea st h et o o lp l a t f o r m ，t o w e ro fb e n z e n ea n d i t sc o n t r o ls t r a t e g yf o rd y n a m i cp r o c e s sh a v e b e e ns i m u l a t e d ，a l s os o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fd i s t i l l a t i o nd e t a i l e ds t u d yh a sb e e nm a d e ，m e a n w h i l e ，p r o c e s so fd i s t i l l a t i o na n d h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nh a v eb e e ns t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb e n z e n e d i s t i l l a t i o nt o w e r , i nt h ema t l a be n v i r o n m e n ta n dt h es o l v ec o n d i t i o n s a l s oo t h e r c o n s t r a i n t st h ea l g o r i t h mh a sb e e na n a l y z e da n das u i t a b l ep r o g r a mf o rt h ec o m p u t i n gp r o c e s s h a sb e e nm a d e ，a n dt h e ns o l v et h em o d e lb yt h ea l g o r i t h me s t a b l i s h e d m e a nw h i l eu s e dt h e c h e m i c a ls o f t w a r ep r o f e s s i o n a la s p e np l u st os i m u l a t et h em o d e lo fb e n z e n et o w e la n d u s e dt h r e ed i f f e r e n tm e t h o d so fc o m p u t i n gt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sw h i c hi n c l u d e dt w o r e c o m m e n d e dm e t h o d sb yt h eu s e r sg u i d ea s p e na n do n em e t h o dn o t f i n a l l y , t h er e s u l t s o fe a c ha l g o r i t h mh a sb e e na n a l y z e da n dc o m p a r e dt op r o v i d ea ni m p r o v e ds e l f - p r o g r a m m i n g b a s i sf o rt h ef u t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e le s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rc o u l dd oag o o d jo bf o r t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u i p m e n ts t u d i e d ( 2 ) i n t e r a c t i v es i m u l a t i o np r o c e s sh a sb e e nd e s i g n e df o rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e b e n z e n ed i s t i l l a t i o nt o w e r i n t r o d u c e dt h em o d e lp r o g r a mi n t e r f a c ec o m p i l e rd e s i g na n d p r o d u c t i o np r o c e s si nd e t a i l ，a sw e l la sr u nt h ea l g o r i t h mi nt h et a r g e tc o m p u t e ri n s t a l l e dt h e o p e r a t i o na n dm a d eam o r ed e t a i l e da n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n b a s e do nt h ew o r ka b o v e ，t h e t h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a sb e e nl i n k e di nt h i sa r t i c l e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ei n t e r a c t i v ep r o c e s sw h i c hh a sb e e nc o m p i l e dh a sag o o dp e r f o r m a n c ef o rt h e a p p l i c a t i o n ( 3 ) a d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e ns t u d i e df o rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e b e n z e n ed i s t i l l a t i o nt o w e r u s et h eb e n z e n et o w e rm o d e le s t a b l i s h e di nt h ec h a p t e r2a st h e o b j e c tm o d e l ，a n de s t a b l i s has i s om o d e lw h i c hu s et h ef l o wo ff e e da st h ei n p u ta n dt h e b e n z e n ec o n c e n t r a t i o na tt h et o po u t p u t sa st h ep r e d i c t i v em o d e l ，s t u d yt h ec o n t r o le f f e c t b e t w e e nt h ef l o wo ff e e da n dt h eb e n z e n ec o n c e n t r a t i o ni nt h et o po ft h eb e n z e n et o w e rb a s e d o nt h ef u z z yp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y d o e sag o o d jo bi nt h ec o n t r o lo ft h ef l o wo f t h ef e e d f i n a l i l y , t h ec o n c l u s i o na n dp e r s p e c t i v ea r eg i v e ni nt h ee n do f t h et h e s i s k e y w o r d s ：s i m u l a t i o n ；f u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o l ；m a t l a b ；d i s t i l l a t i o n ；a s p e np l u s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 叁耋丝 日 期：墅! ! j 。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：查室丝 导师签名： 日 期： 呈翌里i 孑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 在2 1 世纪这个将在人类历史中书写浓重一笔的时代，人类将取得前所未有的成就， 然而在巨大成就的背后必然隐藏着严峻的挑战，在资源、能源及环境等问题上尤为突出。 在近代由于资源、能源引发的问题显而易见，中东的战火，世界范围内的经济危机，足 以向人们敲响警钟。资源节约型、能源节约型及环境友好型的现代生产制造产业是时代 必然的要求。 现代生产制造产业可以大体分为过程型制造业，离散型制造业。化工、轻工、食品 加工、功能制品加工及制药等多种工业领域的过程可以统称为广义的化工过程工程。化 工产业作为过程工业的核心内容，在2 1 世纪仍将是全球经济基础产业支柱之一。据统 计，发达国家1 9 9 0 1 9 9 9 年化工产业g d p 平均增长率是其全部工业g d p 平均增长率的 2 6 9 倍。由此可见，化工行业在世界经济中占据着重要的地位，是世界上各个大国的实 体经济的支柱之一。在我国化工行业在经济结构中体现的重要性更加突出，充分体现在 石油化工及相关等领域。虽然最近两年世界经济与世界石油行业波动较大，但是，石油 化工行业及其附属产业仍然在国家的经济产业中占据着十分重要的地位，可以说石油化 工行业就是中国的经济命脉。 我国在石油化工领域的产值产量是非常可观的，不论是在原油产量、炼油能力，还 是在乙烯、合成树脂、合成纤维、合成橡胶等方面都位居世界前5 位之内，可以说我国 是石化大国。但是同时我国又是能耗大国，由于现有化工工艺、化工设备较之世界发达 国家陈旧、落后，因此能耗、污染等方面显露的问题十分严重，我国石油化工行业的能 耗据有关部门的统计2 0 0 5 年为3 0 4 8 亿吨标准煤，占全国总能耗的1 5 ，同等生产能 力条件下，我国的能耗比国外同行业平均水平高2 0 以上；污水，废气，固体废弃物的 产生、排放也是非常严峻，每年我国由于石化行业排放的污水可达3 2 3 亿吨，废气1 4 2 7 4 万亿立方米，固体废弃物8 4 0 6 万吨。同时，在国外飞速发展的精细化工自2 0 世纪7 0 年代经历了两次石油危机后逐步成为各个国家发展的战略重点。化学工业精细化率己不 再只是化学行业的一个专有名词，更重要的是它体现了一个国家科技和成产发展的重要 标志，反映着一个国家综合技术水平、发达水平以及化学工业的集约化程度。同国外发 达国家相比我国的精细化工水平还存在着较大的差距，有资料显示，发达国家的精细化 率平均已达到6 5 ，而我国还不到4 0 【l 】。 在欣慰我国在化工领域的巨大成就的同时，也必须面对、解决存在的诸多重大问题。 陈腐的观念、落后的工艺、陈旧的设备等一系列问题需要解决，要想取得问题的解决明 显就得开阔思路、改变观念、改进工艺，利用先进稳定的控制器对设备产品生产能力进 行提升、减少废物排出。不过以往的改进工艺、改造设备等过程需要从实验室小试开始， 然后到中试，最后在工业现场调试，这些过程往往是非常漫长的同时也是非常花费人力 物力的。同时伴随着计算机的发展，各种计算算法的产生，催生着计算机模拟的产生发 汕：南人学顾： 学位论文 展。利用计算机对化工工艺、化工设备进行模拟，可以省去从概念产生到工业实际应用 中的很多步骤，并且能够让研究人员从容的改进自己的方法让工艺、设备发挥最大的效 益。 1 2 精馏模型概述 1 2 1 模型分类 在工业领域对设备、技术的创新、改造都是困难繁琐的事情，需要在工业现场进行 多次的反复试验，造成原料浪费，生产停滞。随着计算机的发展，计算模拟在工业领域 中发挥的作用越来越大，缩短了设备、技术等改造、创新的周期，避免了现场试验中的 原料浪费。所谓计算模拟是依据能够充分、准确表征模拟对象的数学模型，利用计算机 的高效计算能力对所涉及的数学模型进行求解的过程，计算求解所得的结果能给设计者 提供对研究对象更深入认识的信息，为研究者的对研究对象的设计、改造工作提供正确 的指导。 数学模型是计算模拟的核心，数学模型的作用尤为凸显，因此对于数学模型的分析、 研究十分重要，根据不同的数学模型类型可以对计算模拟进行不同的分类【27 1 。 依据模型对研究对象描述的本质，可以将数学模型分为机理模型和经验模型两类： 所谓机理模型就是通过分析研究对象过程的本质和机理，利用相关的基本理论、基本规 律建立起来的一套描述对象过程特性的数学方程式及限制条件；所谓经验模型就是以研 究对象实体模型的实验数据或者是研究对象的实测数据为依据，建立起的输入一输出的 相关联系。机理模型的数学方程组大都比较复杂，但是都具有明确的物理意义。经验模 型是基于大量的输入、输出数据，在现阶段是一个新兴的热点，被称为“数据挖掘与知 识获取( d a t am i n i n ga n dk n o w l e d g ed i s c o v e r y ) ”，代表方法是神经网络、支持向量机等。 依据研究对象的时态本质，可以将数学模型分为稳态模型和动态模型。所谓稳态模 型是研究对象主要研究的参数不随时间变化而变化，从数学角度表现为代数方程组；所 谓的动态模型是考虑研究对象的参数随时间变化的关系，时间在模型中也是一个主要的 自变量，从数学角度往往是常微分方程组问题。 依据研究对象的属性，可以将数学模型分为确定模型、模糊模型和随机模型。所谓 确定模型就是每个变量对任意一组给定的条件按照相应的法则取一个确定的值或者是 一组确定的值；所谓模糊模型是输入、输出、状态变量具有模糊性关系；所谓随机模型 就是描述一些不确定性的随机过程，这些过程服从统计概率规律。 依据过程对象的数学描述方法不同，可以将数学模型分为集中参数模型和分布参数 模型。所谓集中参数模型就是在过程参数随空间位置不同的变化被忽略的情况下，过程 系统的各种参数都被看作在整个系统中是均一的，在这样的模型里，各种参数的数值与 空间位置无关，在数学上表现为代数方程组或常微分方程组；所谓分布参数模型是要研 究过程参数在整个系统空间从一个点到另一个点上性能的变化，则这些过程参数就不再 与空间无关，而成为空间位置的函数，数学上表现为偏微分方程式。 从系统工程学角度，数学模型又可被分作白箱模型、黑箱模型、狄箱模型。所谓白 2 第一章绪论 箱模型是指模型的输入与输出之间可以通过机理分析建立确定映射关系；所谓黑箱模型 是指对某些过程系统的内部机理完全不了解，认为该系统处于黑箱之中，只建立输入量 与输出量之间的关系；所谓灰箱模型就是从信息明确程度有别于白箱、黑箱系统而得出 的，此模型是信息部分明确、部分不明确的灰箱系统，基于灰色系统理论的数学模型， 它用灰色数、灰色方程、灰色规律及灰色群来描述。 本文中的苯塔所属的精馏装置模型依据上述的数学模型的分类属于：1 ，机理模型； 2 ，动态模型；3 ，确定模型；4 ，分布参数模型；5 ，白箱模型。 1 2 2 精馏模型发展与现状 精馏作为化工行业中应用极为广泛的传质分离过程，是实现化工行业技术改进的重 要改造对象，在当今乃至以后化工产业中具有十分重要的作用。精馏最早出现于欧洲， 由于欧洲人对葡萄酒及各种香水的特别爱好促进了这一行业的蓬勃发展。再者，人们对 化学物质种类、纯度要求的提高，高纯度的精馏技术及设备更是成为了当今化工行业的 重要组成部分。随着牛顿的微积分原理的快速发展及广泛推广，使得数学得以在精馏行 业开始扮演着重要的角色。精馏塔作为精馏的实际应用装置，是精馏数学模型的应用载 体，在1 9 世纪末广大学者开始对基于微分方程的精馏塔模型进行研究，并且随着计算 机的兴起，精馏塔的计算技术更是有了突飞猛进的发展。各个国家的科学家都对精馏装 置进行了充分细致的研究，不过由于精馏装置结构的特殊复杂性，涵盖了传质、传热等 一系列化学物理过程，具有高度的非线性，仍然有许多问题没有得到解决。 总体来说，精馏塔的数学模型先后经历了三个阶段，即：将塔板看作气液两相都完 全混合的平衡级模型；认为每块塔板都是全混型的非平衡级模型；将整个精馏塔划分为 一定数目的三维分布的非平衡级混合池，每个被划分的混合池能够清晰的描述精馏塔内 各种复杂的、不规则的流动和混合现象的三维非平衡混和池模型。 其中，现在在精馏模拟领域流行最广的就是平衡级模型，自从2 0 世纪3 0 代中期产 生了平衡级稳态模型，经过几十年的发展到2 0 世纪5 0 年代末期提出平衡级动态模型， 经过时间与实践的磨炼，平衡级模型以其简练、稳定的特点在模拟软件行业被广泛使用。 不过由于其的两个假设( 平衡级全混级) 不尽合理，影响了模拟计算的精度，然而其简 练便捷的模型方程可以在大部分的计算机中运行。 非平衡级模型由于其在非平衡级基础上添加了由塔板上气液两相界面的平均传质、 传热速率与加合方程式组成的传递速率方程，使得其可以比平衡级较精确的反应塔内部 的各种情况。在2 0 世纪8 0 年代中期s e a d e r f 2 j 提出了非平衡级稳态模型，经过一段时间 后t a y l o r 3 - 6 】等出现了非平衡级动态模型，近年来，非平衡级模型在理论方面被进行了充 分的研究，国内学者在这方面也做了大量工作1 7 母j 。 对于精馏模型发展的第三个阶段，我国知名的传质专家天津大学的余国琮教授和他 的学生宋海华等对精馏塔先后提出了利用网络状态变量估计法估计参数的二维定数混 合池模型，以及由此而衍生出的三维非平衡混和池模型i 】0 1 4 j 。由于对精馏塔的内部细分 的程度较高，因此得到的实验效果较好，不过，在取得模型参数时需要利用小试模型进 行反复的实验，广泛应用性不强。 江南人学硕+ 。学位论文 鉴于实用性、稳定性及条件限制，本文采用的模型为理论成熟的平衡级模型，对苯 塔进行模拟仿真。 1 2 3 模型求解方法 数学模型的求解是模型要求准确、快速，求解质量的好坏直接将影响到模型结果， 关系着模型的成败。一个好的模型算法不仅能够得出模型的j 下确结果，而且能够在计算 机上快速运行，合理利用每段程序时间。 图1 - 1 平衡级精馏模型计算法分类 f i g 1 1e q u i l i b r i u ms t a g ed i s t i l l a t i o nm o d e lc l a s s i f i c a t i o n 对于苯塔所在的精馏系统，精馏模型是复杂的m e s h 方程组，具有严重的非线性， 并且其中各个参数的复杂关系式，求解是一件很不容易的事情。首先，m e s h 方程本身 是一个庞大的方程组，由于苯塔的组分较多，因此计算量非常大。其次，由于不同类型 的精馏过程表现出不同的收敛特点，往往需要采用不同的求解方法，如果使用方法不当， 是使算法不收敛，导致算法失败。因此，严格的平衡级精馏计算方法不仅取决于大型的 非线性方程组的求解技术，同时还依赖于精馏问题的类型及特点。 经过多年的积累与更新，精馏计算方法已经非常多，其中还不包括因为涉及专利权 等而没有公开发表的。这些算法基本可以分为两大类：操作型算法和设计型算法，这些 4 第一章绪论 算法可以通过表1 1 清晰的表述。与设计型算法相比，操作型算法发展的较为成熟，应 用也比较广。操作型算法又可分为稳态方程计算方法和非稳态方程计算方法。 稳态过程计算方法相对于非稳态计算方法在当今世界的精馏计算领域应用范围是 很广泛的。它是通过求解稳定状态的m e s h 方程达到精馏计算的目的，方程解耦法及 同时校正法都属于稳态过程计算方法。其中，方程解耦法的应用非常广泛，它通常也被 称作方程撕裂方法。这类方法的指导思想是按一定原则将m e s h 方程组撕裂或者解耦成 若干个子方程组，然后将被撕裂或解耦的精馏过程变量作为迭代变量，赋予初值，按照 一定的顺序逐个求解子方程组。每次求解将解出部分变量而其余变量不变，这样随着计 算的不断进行，所有的变量值都将被解出。而非稳态计算方法通过求解非稳定状态的 m e s h 方程组对连续、稳定操作的精馏过程进行计算。按照精馏计算方法的分类，本文 中所采用的算法应该属于非稳态方法，同时还是对于模型的动态求解。 1 3 精馏控制策略概述 由于精馏的特殊重要性及其复杂的非线性，对于它的各种控制算法的研究也非常 多，在上世纪8 0 年代时m c a v o y t ”】把精馏控制分为了三类：基础控制、高级控制、现 代控制，不过也有人把精馏的控制分为传统控制与先进控制。虽然在控制分类上的叫法 不相同，不过分类的实质还是非常相似的，作为基础控制或者是传统控制，大部分都是 基于p i d 控制的变量稳态控制，而高级控制、现代控制或者说先进控制都是利用了当代 主流控制算法，如鲁棒控制、预测控制、自适应控制、智能控制等，中外学者在此方面 做了非常多的研究【1 6 啦】。 虽然，精馏过程控制已经发展了很多年，从最早的常规控制到后来的先进控制，在精 馏过程控制中都进行了实际的应用，不过当今社会在工业领域精馏装置的控制系统依然 是以常规控制为主。先进控制在实际精馏过程中也有被应用的报道，不过主要以预测控 制为主，在上世纪7 0 年代美国、法国将预测控制应用于实际生产中，但是应用的范围 较小还没有广泛推广。然而，由于预测控制来源于实际应用，控制策略简便易行、鲁棒 性强等特点，预测控制将在工业生产中发挥非常大的作用。 在当今控制领域依旧蓬勃发展的预测控制，由于其基于模型进行预测的特性，诸多 学者对模型进行了大量的研究【2 引。众多学者经过研究指出，模型预测的关键是预测功能 而不是模型的形式。从这个角度来看，所利用的模型只是针对于预测的信息处理方式， 具有更广泛的意义。不论什么样的预测控制算法，都遵循预测控制的三个基本特性：预 测模型、滚动优化、反馈校正。 模糊集合理论自1 9 6 5 年l a 扎德提出的模糊集合概念开始，在短短的几十年时间 里获得了十分迅速的发展，并且在多个领域获得了应用，尤其是在控制中的应用。模糊 系统可以被看作为一个不依赖于模型的自适应估计器，它主要依赖于模糊规则和模糊变 量的隶属度函数。不过基于模糊集合论的控制方法同以往的p i d 控制方法一样，只能做 到事后调节t 2 3 1 。 针对预测控制、模糊控制各自的优缺点，学者们提出了模糊预测控制。模糊预测控 5 江南入学硕十学位论文 制可以分为两大类：第一，以预测控制作为主要框架，引入模糊辨识与建模方法；第二， 以模糊决策优化为框架，在隶属度函数、控制规则的优化或者修改中介入预测控制的相 关原理及自校正原理。本文采用的是第一类模糊预测控制，即以过程预测信息处理为核 心，利用模糊技术对预测误差进行补偿。此理论的原型为针对依据先验信息离线建立的 预测模型在线预测所具有的不准确性缺点，从信息处理角度得出的解决方案【2 4 - 2 6 矧彤】。 1 4 计算模拟概述 1 4 1 计算模拟在化工行业中的应用 随着现代化工行业的不断发展，对于物质的性质要求提出更高的标准，对现有理论、 现有工艺、现有设备更是提出了更高的要求。随着不断涌现的无机物有机化合物，据不 完全统计现已由1 0 万种以上的无机物和近4 0 0 万种有机化合物，并且还有更多的混合 物，对这些物质的热力学性质的研究还完全不够【2 引。另一方面由于全世界对于将处于未 来经济重要战略地位的精细化工程度的高度重视，现有的化工工艺、化工设备、化工流 程已经显然不够，需要对化工工艺等进行进一步的提升、改进。 表1 - 1 化工热力学和其他化学工程分支学科的关系 t a b 1 1t h er e l a t i o n s h i po fc h e m i c a lt h e r m o d y n a m i c sa n do t h e rb r a n c h e so fc h e m i c a le n g i n e e r i n g 全流程的最优化设计和控制 吸收系统模拟反应系统模拟蒸馏系统模拟 吸收塔计算反应器计算换热器计算蒸馏塔计算 反应速度计算传质计算传热计算流体力学计算 相平衡计算反应平衡计物料平衡计热平衡计算露点泡点计 算算算 焓的计算粘度计算密度计算导热系数表面张力 计算计算 化工模拟 系统 设备模型 化 三传、反应 工程学 化工热力 学 物性学和 热力学 回顾化工的理论发展，经典热力学理论处理问题时采取宏观的方法，只针对体系的 初态和终态对热力学状态函数进行计算，不需要知道体系内部粒子的结构和变化的细 节，具体知识框架结构如图1 1 所示。统计热力学通过正则配分函数把由大量粒子构成 体系的微观运动和宏观行为联系起来，从而能定量的预算物质对热力学性质，不过目前 统计热力学只能计算近乎理想体系的性质，还不能对化学工业中常见的非理想体系进行 准确的解决。基于对现实技术对理论的要求，出现了分子热力学( 应用统计热力学) ， 它克服了经典热力学和统计热力学的某种局限，在经典热力学的基础上，依靠分子物理 和统计热力学的方法来考虑、关联和计算物质的行为，是化工热力学发展的新方向。经 典热力学、统计热力学、分子热力学为计算模拟引入化工行业提供十分坚实的理论基础。 6 第一章绪论 1 0 1 0 m1 0 7 m1 0 m10 0 m1 0 2 m 图1 - 2 计算模拟对象层次 f i g 1 2o b j e c tl e v e lo fs i m u l a t i o n 由上图l 一2 可以清晰的看出计算模拟在化工行业的巨大潜力和应用领域，在过去的 几十年里人们把在化工行业中计算模拟应用的重点放在了单元设备模拟以及流程模拟 上，没有足够重视分子模拟与流体力学模拟，或者说没有将设备模拟、流程模拟的宏观 模拟与分子模拟、流体力学模拟结合起来。在近些年对于动态过程模拟的发展及计算流 体力学、分子模拟的兴起，将过程模拟与流体力学模拟进行结合的趋势越来越明显，同 时还可以考虑将环形影响因素考虑进来，引导计算模拟在化工行业向着多尺度、生态层 次发展。 1 4 2 计算模拟的成就与不足 计算模拟从进入化工行业开始至今已经走过了6 0 多年的历程，早在2 0 世纪5 0 年 代一些先进的西方企业，化学工程师利用老式的计算机对闪蒸进行辅助计算。随后，基 于传统的平衡级模型与直接利用速率方程及传递物性的非平衡级模型的计算模拟软件， 如1 9 9 0 年a s p e nt e c h 推出的r a t e f r a c 软件。伴随流体力学的发展，利用计算机模 拟技术可以取代以往只能利用冷模研究才能解决的问题。2 0 世纪9 0 年代在复杂的聚合 反应器模拟上也取得了较好的进展，对于那些处理固体或固体一流体的单元，由于多相 传质、传热复杂性较高，尚有许多问题有待解决。对于生物化工过程单元以及绿色过程 系统的模型化与模拟技术尚未成熟。 同时，使用序贯模块法的模拟系统已经在过程系统的模拟中经历了三代发展。第一 代，19 5 8 年m w k e l l o g g 开发出来第一个过程模拟软件f l e x i b l ef l o ws h e e t ，同时期u n i o n c a r b i d ec o r p 以及s t a m d a r do i lc o 等大公司也推出了贯序连续法的过程模拟程序；第 二代，2 0 世纪6 0 年代中期推出的s i m u l a t i o ns c i e n c e s 和c h e ms h a r e 等专业软件，同 期，一些大型企业中试厂将控制计算机用于石油化工、炼钢等方面伴随一些过程控制软 件；第三代，7 0 年代后期至今，计算机辅助化工过程设计应用软件的开发和应用发展极 为迅速，产生了大量的新模拟系统，美国c h e ms h a r e 公司的d e s i g n 2 0 0 0 ，美国m i t 就( 麻省理工学院) 开发的a s p e np l u s ，模拟科学公司的p r o c e s s ，用于热交换 及其网络设计的p r o f i m a t i c s 公司的h e x n e t h e x o p ，传热研究公司的h t r i ， c i n c i n n a t i 大学的u c a n i i ，英国帝国化学公司( i c i ) 的e l o w p a r c k i i ，牛津大学 c a d 研究中心的c o n c e p t ，帝国大学的s p e e d u p ，匈牙利科学院的s i m u l 等，已 7 轭i ：南大学硕十学位论文 经达到了相当成熟的地步。计算机辅助计算软件主要包括物性数据库、稳态过程模拟软 件、动态过程模拟软件、经济分析与评价软件、绘图软件等。随着过程系统的增大、循 环回路的增多以及非线性化特征的增强，采用联立方程法的过程模拟系统近些年来发展 很快，动态模拟软件a s c a n d ( 美国大学) 、s p e e d u p ( 英国理工学院和i c i 公司，后 被a s p e nt e c h 收购为c u s t o m e rm o d e l e r ) 和s t a r 公司的h y s y s 等已被工业界应用心9 。 国外在这方面起步较早，经过数十年的发展，形成了一个相当完善的行业分支，并 且在实际的工业生产中取得了令人瞩目的成就。通过软件对工艺的改进和对设备自动控 制的改造，在实际生产中十分有效，全球最大的化工软件公司a s p e n 公司的一份数据 显示经过对设备实施a p c 取得的效益中，降低能耗占1 0 ，产品质量提高占1 0 ，装 置生产平稳与安全性的提高占1 5 ，回收率的提高占1 5 ，加工能力的提高占3 0 。现 在流行的化工模拟软件a s p e n 、h y s y s 、p r o i i 占据着世界化工软件的绝大部分份额， 与国外的成熟的化工模拟软件相比，我国的模拟软件发展起步较晚，行业水平较低，石 油化工科学院在1 9 8 0 年开始对芳烃抽提专用流程模拟系统的研制，在1 9 8 3 年和1 9 8 6 年先后开发成功了以甘醇类溶剂抽提芳烃工艺过程的专用流程模拟系统a r e x s i m 、环 订砜溶剂抽提芳烃工艺过程专用流程模拟系统s u l e x 。这些专用软件在以后指导现有 装置的操作、改造以及新装置的设计中发挥了巨大的作用【2 9 3 0 1 。 上世纪末期m a t l a b 作为t h em a t h w o r k s 公司的优秀计算软件以其优异的计算效 能及便捷的操作方式得到了广泛的应用。在国外尤其突出【3 卜3 3 】，在国内也非常受欢迎， 在数值计算3 4 1 ，系统建模仿真【3 5 - 3 8 1 ，模糊控制【3 9 】，界面设计等领域都有研究发展， 在化学工程【4 l 】中也有着较为广泛的应用。由于m a t l a b 丰富的控制工具箱以及出色的 仿真能力，以m a t l a b 为计算、控制平台的化工软件将在未来的化工模拟中扮演重要 角色。 然而，计算模拟由于基于数学模型，受到了数学模型在某些方面受到限制的影响还 存在不足。首先，数学模型的基础是各种具有明确物理意义的基础理论公式，在这些公 式中往往会有经验常数或者实验测量数据，这些常数及测量数据与具体实际情况往往存 在些许的偏差；其次，数学模型的求解依赖现有的数学求解工具，面对复杂的化工过程 所提取的复杂的数学模型，数学求解工具未必能够准确、快速的完成求解任务，它受到 当前数学理论和计算技术的限制；最后，对于一些模拟过程中的不现实的没有具体物理 意义的模块往往在实际生产中没有实物对照，其计算结果难以得到验证，对其存在的价 值意义提出质疑。 总上所述，计算模拟在化工行业在过去、现在都取得了较大的成就，在未来也会有 不俗的表现，同时我们也要看清其存在的诸多问题，只有认清楚存在的问题才能推动相 关行业不断发展，从根本上解决、避免这些问题，使计算模拟在化工行业取得更大的成 就。 1 5 本文任务及结构 通过对课题背景的阐述，认识到对精馏的模拟研究具有较为重要的理论意义及实际 第一章绪论 应用价值，但是精馏在实际应用中的装置种类繁多，根据现有资源及实验条件，选定芳 烃抽提装置中的苯塔作为实际的对象，对精馏意义上的机理模型、仿真求解及控制策略 研究做了较为细致的研究。本文的主要任务如图1 3 所示，可以大体分为4 个部分，即： 苯塔机理模型的建立、模型的求解及结果分析、人机交互程序的设计以及先进控制策略 的研究。 图1 - 3 论又结构 f i g 1 3s t r u c t u r eo f t h ep a p e r 首先，对于机理模型的建立，虽然新的研究成果能够更加准确的再现实际对象的各 种特性，但是新的模型需要对模型中的相关参数进行更加细致的理论研究计算过程较为 复杂，或者还需要有实际的实验，如示踪剂跟踪实验，然后根据实际的实验数据拟合得 到模型中的参数。根据实际条件及设备，采用平衡级模型来实现苯塔模型。 其次，针对建立的苯塔机理模型，依据o d e 求解函数的求解条件、求解格式等约 束条件，对模型的求解算法进行分析整合，提出了较为合理的预算流程方案。同时，利 用专业软件a s p e np l u s 做对比实验，与o d e 函数求解算法得到的结果进行比较。 然后，依据人们在信息的接受程度上，对于图形的接受能力远远优于任何其他语言 文字。因此，以m a t l a bg u i 作为平台，将模拟计算程序进行人机交互式程序设计i 提高模拟程序的泛化性。 最后，对苯塔的先进控制策略进行了初步研究，以文中第二章建立的苯塔模型为对 象模型，利用支持向量机建立进料流量与塔顶组分中苯浓度比的单输入单输出的预测模 型，采用模糊预测控制，研究了在控制策略作用下进料流量对塔顶组分中苯浓度比的控 制作用。 9 第二章苯塔的精馏模型建立 第二章苯塔的精馏模型建立 数学模型是计算机模拟仿真的主体部分，本章的主要内容是建立苯塔的数学机理模 型，并结合化工热力学以及流体力学中的相关理论计算模型中涉及的相平衡参数和物性 参数。 2 1 苯塔精馏原理与设备 2 1 1 苯塔精馏原理 苯塔作为精馏塔的一个实际应用设备，具备着精馏塔的各种特性。所谓的精馏就是 采用逆流接触的操作方法将回流液与上升蒸气形成的混合液完全分离的蒸馏方法【4 2 1 。 精馏过程在精馏段的回流液是塔顶流出蒸气经冷凝器冷凝形成的，含易挥发组分浓 度高，依靠此回流液与上升蒸气进行传质接触，使上升蒸气中易挥发组分的含量不断提 高，最后从冷凝器得到高纯度的易挥发组分馏出产品；在提馏段的上升蒸气为塔底流出 液体经再沸器加热蒸发形成的，含难挥发组分浓度高，依靠此上升蒸气与向下流的液体 进行传质接触，使液体中的难挥发组分浓度不断提高，最后从再沸器得到纯度较高的难 挥发组分馏出产品。 将料液从精馏塔中部加入，向下流动，塔的下部有再沸器，可以对料液进行加热， 能够使料液沸腾产生上升蒸气。上升蒸汽在精馏塔下部与向下流的液体接触，气液两相 的不平衡使两相间产生传热、传质过程。气相中的难挥发组分( 重组分) 受到液相的温 度、浓度影响，逐步向液相传递，液相中的易挥发组分( 轻组分) 受到气相的温度、浓 度影响，逐步向气相传递。通过不断的物质传递、轻重组分的不断交换，使得向下流的 液体中的重组分含量逐步提高，到塔底时会得到浓度相当高的重组分。然后将塔底得到 的含重组分高的液体再送入再沸器加热，使得液体中含有的易挥发组分气化变成上升蒸 气，而得到的液体作为纯重组分产品。上升蒸气到加料处易挥发组分的含量也将提高到 一定程度，具体如图2 1 所示。 在再沸器不断加热的情况下，蒸气不断上升并且在上升的过程中不断与向下的液流 进行热量与物质的交换，使得上升气流中易挥发组分浓度不断增加，难挥发组分浓度不 断降低；与此同时，向下液流中的难挥发组分浓度不断增加，易挥发组分的浓度不断降 低。上升蒸气不断上升，在到达塔的顶部的时候，蒸气中的易挥发组分浓度已经相当高。 然后将塔顶得到的含有挥发组分高的蒸气送入冷凝器中冷凝，将蒸气全部冷凝成液体， 然后将部分液体引入精馏塔中作为回流液与上升蒸气接触，进一步进行热量、物质的交 换，使得向上蒸气中的易挥发组分含量更加的提高，难挥发组分的含量更加的降低，最 后从塔顶可以得到纯度很高的易挥发组分。回流液中的易挥发组分含量逐步降低，到加 料处时其浓度基本等于加料液中的浓度值。 江南人学硕十学位论文 料 馏出液 釜残液 图2 - 1 精馏过程连续逆流流程简图 f i g 2 1d i s t i l l a t i o np r o c e s sf l o wd i a g r a mo f c o n t i n u o u sc o u n t e r c u r r e n t 用精馏方法使混合物完全分离的基本条件是采取了回流液与上升蒸气，利用两者的 热量、物质交换，可以同时得到两个较