（系统工程专业论文）PTA氧化过程实时工况预测与优化方法.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 复杂工业过程的建模、模拟与优化一直是过程系统工程( p s e ) 领域的核心 研究内容。本文以某化工厂6 0 万吨p t a 生产装置氧化工段流程为对象，建立了 氧化工段核心流程以及氧化工段全流程的严格机理模型，并将该机理模型作为 “p t a 生产过程p x 和醋酸单耗的实时检测预警优化”的计算核心，实现了p t a 氧化过程的工况实时检测与优化。 本文的主要工作包括如下三部分： 1 ) 对工业过程进行建模时，需要对模型进行参数估计来校正模型参数，针 对传统参数估计方法求解收敛性差的缺点，提出一种用于多工况，大规 模工业过程建模的参数估计方法。并对p t a 氧化工段核心流程模型( 包 括氧化反应器、四级冷凝器、第一结晶器等) 的建模问题进行了应用研 究，获取了适用于多工况下的p t a 氧化工段核心流程模型。 2 ) 进行了p t a 氧化工段全流程的建模与模拟，包括氧化反应器、四级冷 凝器、第一结晶器、高压吸收塔、常压吸收塔、溶剂脱水塔系统等，使 得全流程模型可以求解并吻合设计数据。 3 1 基于c o m 技术，设计编写了“p t a 生产过程p x 和醋酸单耗的实时检 测预警优化”的计算服务端软件。以机理模型为后台计算核心，通过与 现场p h d 服务器的实时通信，实现了p t a 氧化过程的实时工况预测与 优化。 关键词：建模、模拟、实时优化、序贯式参数估计、实时检测。 a b s t r a c t a b s t r a e t m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n a r et h e k e y s t o p r o c e s ss y s t e m s e n g i n e e r i n g i nt h et h e s i s ，t h es t e a d y s t a t es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fp t a o x i d a t i o np r o c e s sa r es t u d i e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) p a r a m e t e r se s t i m m i o ni s e s s a t i a lf o rm o d e l i n go fa ni n d u s t r i a l p r o c e s s h o w e v e rt h et r a d i t i o n a lp a r a m e t e r se s t i m a t i o nm e t h o d so f t e nr e f l e c tp o o r c o n v e r g e n c ef o rac o m p l e xm o d e l as e q u e n t i a lp a r a m e t e re s t i m a t i o n m e t h o di s p r o c e s s e dt o d e a lw i t hp r o c e s sw i t hm u l t i s c e n a r i o s i ti s s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm o d e l i n go ft h ec o r ep t a o x i d a t i o np r o c e s s ，i n c l u d e i nt h eo x i d a t i o nr e a c t o r , f o u rc o n d e n s e r s ，t h ef i r s tc r y s t a l l i z a t i o n ，e t c 2 ) t h ew h o l ep t ao x i d a t i o np r o c e s s ，i n c l u d i n gt h eo x i d a t i o nr e a c t o r , f o u r c o n d e n s e r s ，t h ef i r s tc r y s t a l l i z a t i o n ，h i g h - p r e s s u r ea b s o r p t i o nt o w e r , a t m o s p h e r i ca b s o r p t i o nt o w e r , s o l v e n td e h y d r a t i o nt o w e rs y s t e m s , h a sb e e n s i m u l a t e da n dm o d e l e d 3 ) b a s e do nc o mt e c h n o l o g y , s o f t w a r ei sd e v e l o p e df o rr e a l t i m ed e t e c t i o no f t h ep xa n da c e t i ca c i dc o n s u m p t i o ni np t a p r o c e s s i th a sb e n ns u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e do n l i n em o n i t o ra n do p t i m i z a t i o nt h ep xa n da c e t i c a c i d c o n s u m p t i o n s k e yw o r d s ：m o d e l i n g , s i m u l a t i o n ，r e a l t i m eo p t i m i z a t i o n ，s e q u e n t i a lp a r a m e t e re s t i m a t i o n ， r e a l t i m em o n i t o r i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同r t 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。 学位敝作者躲锄埔伊签字日期两匆年岁月局日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用奉授权书) 学位论文作者签名：孙 签字日期： 劭年歹月勿日 聊躲觐红彬场 聊签名：磅乎嘶易 签字日期：知加年多月厶日 妒 致谢 致谢 首先要对钱积新教授表示感谢! 钱老师丰富的学识与经验、诲人不倦的教导、 严谨务实的工作作风、求实的科学态度以及谦和的为人给我留下了深刻的印象， 是我这一生为之学习的榜样。 由衷的感谢陈曦副教授这近三年以来对我的学业与生活的关心和指导，为我 提供了一个自由、宽松的科研环境。陈老师求是的科学态度和踏实的工作作风永 远值得我学习。陈老师的处世态度以及在生活中的豁达和宽容，我也都将铭记在 心。 感谢邵之江教授对我的关心与帮助，为我提供优秀的硬件平台。邵老师强烈 的团队意识让我深深体会到团队合作的重要性，这对我以后的发展有着重要的意 义，在此表示衷心的感谢。 感谢赵均副教授和徐祖华老师的关心与指导，在我首次接触现场项目的时候， 给与了我极大的关心与帮助，提高了我的现场动手能力。在此表示衷心的感谢。 感谢系统工程研究所的各位老师对我的指导、帮助! 感谢王慧教授、梁军教 授、刘兴高教授、周立芳副教授、赵豫红副教授等平时的帮助，感谢邓赤女士的 关心和帮助! 深深地感谢我的父母，多年的求学生活为我付出太多，谨以此文献给我无私 的父亲母亲! 谨以此文献给所有关心和帮助过我的人。 蒋鹏飞 2 0 1 0 年1 月 绪论 1 1p t a 生产简介 1 绪论 精对苯二甲酸( p t a ) 是制造薄膜、聚酯纤维、绝缘漆的重要原料，是聚酯工 业的主要原料【1 1 。p t a 的首个工业生产法为硝酸氧化法【2 ，3 1 ，但该方法污染严重， 能耗高，产能低，无法满足大规模工业需求。1 9 3 8 年d u p o n t 公司e 4 i 开发出以钴为 催化剂的空气氧化法，实现了p t a 氧化过程的大规模工业生产。1 9 5 1 年w i t t e n 公 司 s l发或酯化氧化法来间接生产阿a 。1 9 5 8 年，m i d - c e n t u r y 公司t 6 1发了 c o - m n b r 三元复合体系为催化剂的p x ( 对二甲苯) 氧化过程，极大的提高了p x 氧化反应收率，该催化剂体系也被称为m c 催化剂【7 1 。 精对苯二甲酸( p r r a ) 的生产工艺主要包含两部分，一是氧化工序，主要是 进行对二甲苯( p x ) 氧化反应，得到产品粗对苯二甲酸( c t a ) 。二是精制工 序，主要是对氧化工序所得的产品粗对苯二甲酸进行提纯，获得高纯度的精对苯 二甲酸。 氧化工序是p t a 生产过程的核心，主要采用对二甲苯空气氧化法生产。该过 程是一个气一液一固三相反应，在温度1 5 0 - 2 1 0 摄氏度、压力5 1 5 _ t - 程大气压下 进行，采用钴锰溴三元复合催化剂，以醋酸为溶剂，空气为氧化剂，反应物p x 经过一系列复杂的自由基链式反应生成产物对苯二甲酸( t a ) ，该反应遵循经 典的自由基氧化机理1 8 , 9 1 ，反应方程式如图1 1 【1 1 所示： c o ( a c ) ： + 3 0 = _ m n ( a c ) ：，b r h h + 2 h ，o 图1 1p x 氧化反应方程式 针对p x 氧化反应过程复杂，副产物较多，c a o ! i o , i h 和c i n c o t t i 1 2 1 提出一个集 总动力学反应网络，即只考虑重要的中间产物和最终产物，该反应网络如图1 2 所示： l 浙江大学硕士学位论文 p ：h 3 - q c h o 上 c h o c o o hc o o h c h o c h o h k s - - - - 图1 2c a o 和c i n c o t t i 的氧化反应网络 长期以来，我国p 1 r a 工业的发展相对滞后。据海关统计，自二十世纪九十年 代年以来，我国盯a 进口量逐年增长，1 9 9 0 年至d 2 0 0 5 年间，年均进口增长率达到 2 2 0 7 ，其中9 5 至2 0 0 0 年间增长最快，年均进口增长率达4 4 2 6 嘣13 1 。由此可见， p t a 项目仍然有广阔的发展空间。 1 2p t a 氧化工序流程简介 目前p t a 的主流生产工艺包括：三井、d u p o n t 、a m o c o 、e a s t m a n 四种专利 技术。虽然不同的工艺在反应条件、分离方式( 例如，三井工艺的溶剂脱水塔采 用共沸精馏方式) 、能量利用方式、流股分配等存在较大差异，但流程总体上包 含以下几个子系统：氧化反应器、浆料净化系统、尾气处理系统、固液分离系统、 脱水系统、杂质和催化剂回收系统、以及压缩机、膨胀机等公用工程系统【l 】，如 图1 3 所示。 绪论 图1 3 氧化工序流程简图 整个氧化工序的核心为氧化反应器，该工序的主要物耗集中在氧化反应器中， 约占整个流程物耗的8 0 。反应器在运行时，p x ，醋酸，催化剂等按一定比例 混合后进入反应器，空气通过压缩机由反应器底部进入反应器，在催化剂的作用 下，p x 被空气氧化生成产品对苯二甲酸以及一系列副产物。 反应后的浆料进入浆料净化系统进行结晶以及二次反应，结晶净化后的浆料 进入固液分离系统，一般是过滤机和干燥机。进行过滤干燥后进入精制工序。反 应器的尾气进入尾气处理系统，对尾气中p x ，醋酸等物质进行吸收。 尾气处理系统，浆料净化系统中的气体、液体流股进入脱水系统中进行分离， 循环利用。不同工艺的脱水系统有较大差异，例女o a m o c o _ t _ 艺采用能耗高的普通 精馏，三井工艺采用能耗低，但控制复杂的共沸精馏。 1 3 流程模拟与优化相关技术 1 3 1 模拟与优化技术简介 大型化、复杂化、自动化是现代流程工业的发展趋势，而工业系统的建模、 模拟与优化则是过程系统工程领域的核心研究内容14 1 。流程模拟、流程优化、 灵敏度分析、系统综合等构成过程系统工程( p s e ) 的主要研究内容。其中流程 模拟是基础，流程优化、灵敏度分析等均建立在模拟基础上【1 卯。化工过程的稳 3 浙江人学硕士学位论文 态模拟作为过程系统工程核心，是通过建立过程流程的数学模型，在约束条件下， 使用计算机进行求解，从而预测相应过程。其通过物料衡算和能量衡算可以确定 化工过程原料的需求和整个过程的经济性【l 6 1 。 二十世纪五十年代，化工过程的稳态模拟开始起步，二十世纪七十年代，技 术开发开始起步。当时d i g i t a ls y s t e m 、s i m u l a t i o ns c i e n c e 、c h e m s h a r e 等公司， 从事化工过程稳态模拟软件的开发。美国m i t 也开始研发a s p e n 项目，而英国帝 国理工学院开始开发s p e e d u p ，很多其它大公司也着手开发自己的专用系统【1 6 】。 1 9 8 0 s ，通用稳态流程模拟软件商业化时代到来，a s p e n t e c h 、s i m u l a t i o ns c i e n c e 、 h y p r o t e c h 等成为通用稳态流程模拟软件的代表。二十世纪九十年代，工业过程 模型化和模拟的价值已获得公认，稳态模拟技术也日趋成熟【1 6 1 。 1 3 2 模拟与优化策略简介 随着模拟与优化技术的发展，借助性能优越的计算机，使得复杂的工业流程 对象的模拟与优化成为可能。经过几十年的发展应用，目前针对流程工业对象主 流的模拟与优化两种策略：序贯模块( s e q u e n t i a lm o d u l a r ) 1 1 7 1 法和联立模块 ( e q u a t i o no r i e n t e d ，以下简称e o ) 【1 8 , 1 9 1 法。 序贯模块法的基本思想是：给定模块的输入流股矢量与模块参数矢量，从流 程入口流股开始，通过接受该物流的单元模块的计算，从而得出输出流股矢量， 并将此输出流股矢量作为下一个模块的输入，依次逐级计算，经过流程系统的所 有单元，最终解出系统中所有流股1 2 0 ，2 1 盈1 。整个流程的计算按一定的顺序进行， 此顺序与流程结构有关【1 6 1 。 基于模块化思想的序贯模块( s m ) 建模过程，其优点在于：模块模型与实 际工业对象之间联系紧密，便于理解与应用；过程单元建模方便，模型维护简单， 模型通用性较高，多年的发展，已经形成了丰富成熟的单元模型库1 1 6 1 ；流程算 法设计简便，相关技术已经发展成熟，各种典型化工过程模型的计算顺序相对固 定i 1 。长期以来，序贯模块法以其明显的优势，一直在工业过程稳态模拟中占 据主导地位，是目前为止应用最为广泛的方法1 2 3 j 。 但是序贯模块法也存在明显的不足，流程单元模块计算，物性计算，优化计 算等都会在流程计算中增加迭代循环次数，这往往导致迭代循环次数过多，收敛 4 绪论 效率低下。如果流程复杂，存在多股回流，则序贯模块法需要将回流流股撕裂， 再进行计算，多股撕裂流股的存在，将对流程收敛造成较大影响。因此对于复杂 多回流工业流程的模拟及优化问题，序贯模块法不太适合。 联立模块法的基本思想是：将过程系统模型中的所有方程都联立组织起来， 形成一组超大型非线性方程组直接进行求解。因此联立模块法不存在流股撕裂， 循环迭代计算的缺点，且具有变量指定灵活、模型扩展容易、求解效率高的优势， 对于序贯模块法求解效率低下的模拟及优化问题非常合适。 同样联立模块法也存在不足，由于其核心是求解超大维的非线性方程组，对 于复杂的工业流程，方程组规模往往达数万维，这使得联立模块法在求解时对初 值的依赖性较强。 随着工业过程优化向着大规模、实时优化方向发展，序贯模块法计算效率低 下、灵活性差的缺点越来越明显，而联立模块法克服了序贯模块法的诸多缺点， 成为学术界所推崇的流程模拟与优化方法1 1 6 】。目前很多流程模拟优化软件均采 用了联立模块法。a s p e nt e c h 公司开发的a s p e np l u s 不仅提供了序贯模块法和联 立模块法两种模拟及优化策略，而且允许在两者之间进行相互切换，将两种求解 策略的优势进行互补【1 8 , 1 9 1 。 1 4 参数估计简介 在建模过程中，往往由于初始模型参数不准确，导致模型输出与现场测量不 吻合，此时需要修正参数来校正模型。参数估计通过最小化模型输出值与现场测 量值之间的残差，获取模型参数，实现模型校正。 对工业过程进行机理建模时，流程复杂，模型规模庞大，现场运行工况点较 多。为使模型能在多个工况点上都能够准确模拟现场装置的工作状况，需要对模 型进行多工况下的参数估计。构造此类问题的参数估计命题，常用的做法是联立 所有工况，构造全联立参数估计命题。其目标函数为最小化所有工况下，测量变 量的模型计算值与现场测量值之问的残差。针对化工过程模型的参数估计，其全 联立命题一般具有规模大，非线性强等特性，问题的规模随着工况数的增加成倍 增长。如果直接求解，由于方程维数大且非线性强，求解难度大，很容易导致优 化算法求解时收敛失败。 s 浙江大学硕士学位论文 学界也对参数估计问题的求解做了大量的研究，b r i t t & l u e c k e 采用线性迭代 的求解方法对参数估计问题进行了有效的求解 2 4 1 。p e n e l o u x l 2 5 1 ，r e i l l y & p a t i n o l e a l 2 6 1 等发展了基于线性迭代求解参数估计问题的方法。s c h w e t l i c k & t i l l e r , 2 7 1 v a l k o & v a d j a t 2 8 1 提出了求解参数估计问题两步法。t j o a & b i e g l e r t 2 9 】采用 全局收敛的s q p 方法对全联立的参数估计问题进行了求解。h a r d i n 于1 9 9 5 年将 参数估计技术应用于工业过程操作优化上【3 0 1 。近年来关于参数估计的研究与应 用主要可参考文献y i p & m a r l i n t 3 ，s c h w a a b & b i s c a i a 3 2 1 ，c r e v e l i n g & g r i i l 3 3 1 ， z a v a l a & l a i r d l 3 4 】等。 1 5 工业过程工况监控相关技术简介 工况性能监控系统对保障设备、生产过程的安全以及保证、提高产品质量具 有十分现实的意义。随着现代流程工业的发展，生产过程越来越呈现出规模大、 结构复杂、生产单元之间耦合强的特点，同时也使得发生事故的可能性增大。并 且过程中的异常波动很难及时得到发现，往往导致产品质量严重下降，或者延误 生产计划的正常执行，造成巨大的经济损失。因此，一套可靠的工况性能监控系 统对于企业的安全和效益是不可或缺的。 生产过程性能监控的目标是通过识别不正常行为来确保过程按计划运行的。 这些信息不仅帮助系统操作员和维护人员不断了解过程的运行状态，而且还帮助 他们做出适当的补救措施。准确的过程监控使停车时间最小化，设备运行的安全 性得以改进，过程运行长期维持在最优化状态，生产成本得以减少。为了确保过 程运行状况满足给定的性能指标，系统需要对故障进行检测、预警、诊断和消除， 并保障生产过程的物耗和能耗的最优化。 当前生产过程的性能监控已成为国外化工与过程控制界的热点研究问题。美 国和西欧等发达国家纷纷投入大量人力、物力，加强对该领域的资助，力图抢占 技术领先地位。一些研究工作在实际生产中已成功得到应用，虽尚不够成熟和完 善，但据报道已显著提高了产品质量、提高了经济效益。 6 绪论 1 6 本文研究内容 本文主要研究p t a 氧化工序实时工况预测与优化，而对实际的工业对象进行 研究时，需要建立该对象数学模型。因此，本文第二章使? 羽a s p e np l u s 对p t a 氧化 工序核心流程进行机理建模，而体现p t a 氧化过程特性的反应动力学模型为该机 理模型核心。为使模型在多个工况下均能匹配现场数据，需要对模型进行多工况 下的参数估计。由于化工过程模型参数估计命题具有多工况、大规模的特点，直 接求解收敛困难。为解决此问题，本文提出新的序贯式参数估计，通过构造和求 解一系列序贯式参数估计子命题来获取较好初值，从而使得原参数估计命题求解 收敛。在建立了p t a 氧化工段核心流程模型的基础上，第三章对氧化工段后续流 程进行机理建模研究，从而建立氧化工段全流程模型。第三章的主要研究对象为 后续流程中的精馏塔系统，包括采用普通精馏的高压吸收塔、溶剂汽提塔；采用 共沸精馏的溶剂脱水塔系统。通过第二、三章，建立了p t a 氧化工段机理模型， 以此模型为计算核心，在p h d 数据接口技术、c o m 接口技术的辅助下，第四章实 现了p t a 氧化工段实时工况预测与优化，并在现场进行部署，取得满意的效果。 全文主要内容如图1 4 所示。 7 浙江大学硕士学位论文 图1 4 全文主要内容简图 全文内容安排如下： 第一章：对p t a 生产流程进行简单介绍，综述了复杂工业系统建模、模拟及 优化的方法和技术背景，阐述本文工作的意义以及研究内容。 第二章：通过工业现场数据，对模型进行多工况下的参数估计。针对模型校 正过程中，参数估计命题直接求解不收敛，提出序贯式参数估计求解策略。通过 构造和求解一系列序贯式参数估计子命题来获取较好初值，从而使得求解原参数 估计命题收敛。 第三章：对氧化工序后续流程机理建模，从而建立p t a 氧化工段全流程模型， 本章重点研究采用共沸精馏方式的溶剂脱水塔系统的机理建模。 第四章：将校正后的模型应用于现场，作为“p t a 生产过程p x 与醋酸消耗的 实时检测预警优化”的后台数据服务核心，展示现场应用的效果。对氧化反应器 8 绪论 温度进行离线优化，以获取最优操作温度。 第五章：总结全文，对本文的所有研究内容进行总结和分析，提出下一步研 究的设想和建议。 9 * 位论文 2 1 引言 2p t a 氧化反应动力学模型参数估计 2 1 1 氧化反应工段棱心流程简舟 氧化反应器是氧化反应工段核心，根据反应机理在a s p e n p l u s 下建互其严 格机理模型。流程模型包含氧化反应器，反应器顶部四缎冷凝器以及第一结晶器。 由于第一结晶器需要通入空气继续反应，目此采用反应罂模型来代替。其流程圈 如图2 1 所示 囤2i 氧化反应工段棱心流程田 上图中r e a c t 为氧化反应器，2 号流股为反应器空气进料1 2 号流股为 反应器液相进料反应器气相出料由1 8 号流艘排出经过一级冷凝器c i 、二级 垮凝器c 2 ，玲凝后液相回流入反应器，气相经过三级玲凝器c 3 ，四级冷凝器 c 4 冷凝后进入氧化工段后续流程。氧化反应器液相出料由1 7 号流股送入第一结 晶器3 d - 4 01 进行二次氧化第一结晶器气相出料经过两缎垮凝进入后续流程， 而液相出抖到通过3 5 号流股排出，进入后续流程。 p t a 氧化反应动力学模犁参数估计 2 1 2 氧化反应动力学模型简介 在p t a 的生产过程中，反应器内不仅发生p x 氧化反应，同时伴随醋酸燃烧 反应，副产物燃烧反应。 在a s p e np l u s 下建立p x 氧化反应动力学模型如下 如i 啦曲，l ，i 缸嘲9 m wl 知晌- l 。 k if x 0 2 ) pt a l d + h 2 0 2 k f 咖 p t a l d + 5 0 2 “ p t 加d ， 3k r e kp t 加d + 0 2 4 - c 8 a h 孤 k i d 电4 1 b 矗4 - 5 0 2 一 t a 燃烧反应( 生成c o ) 动力学模型如下 如“幽。- e t ，| ，h e 嘲h 瞬w m1 礴哪 。“ r k r pt a l l ) 5 5 0 2 - 一 4 h 2 0 8 c o | 2 k n 妇 4 - 姒4 0 2 一 3 i - t 2 0 + e c 0 | 3 k m e i i c i a c + 0 2 2 h z 0 + z 燃烧反应( 生成c 0 2 ) 动力学模型如下 如岫舳_ 咖 ，哟口；静汹i 幽静i + p k f 妇pt a l d 95 0 2 一) l h 8 c 0 2 产 k f e 虻 4 c - , 0 a + 8 0 2 一 3 h a 口+ 8 c 0 2 | 3 f u r 耐a eh a c + 2 0 2 2 h 刀0 + 2 c 0 2 主反应和燃烧反应包含的反应方程式如下所示： c s h s o + 5 5 0 2 - - ) 4 h 2 0 + 8 c o c 8 h 6 0 3 + 4 0 2 - 9 3 h 2 0 + 8 c o c 2 h 4 0 2 + 0 2 - 9 2 h 2 0 + 2 c o c 8 h 8 0 + 9 5 0 2 - - ) 4 h 2 0 + 8 c 0 2 c 8 h 6 0 3 + 8 0 2 - - ) 3h 2 0 + 8 c 0 2 c 2 h 4 0 2 + 2 0 2 - - ) 2 h 2 0 + 2 c 0 2 c 8 h i o + 0 2 - - ) c s h s o + h 2 0 c 8 h 8 0 + 0 5 0 2 专c s h s 0 2 c 8 h 8 0 2 + 0 2 - - ) c 8 h 6 0 3 + h 2 0 c 8 h 6 0 3 - t - 0 5 0 2 - - ) c 8 h 6 0 4 对每条反应方程式在a s p e np l u s 下建立其动力学模型( l h h w ) ，每条反应 的发生量由其反应速率决定。每条反应的发生速率数学表达式如- f t l 8 , 1 9 1 ： 1 】 浙江大学硕士学位论文 ，一( k i n e t i cf a c t o r ) ( d r i v i n gf o r c ee x p r e s s i o n ) ( a d s o r p t i one x p r e s s i o n ) 蜘鲥c 删设枷“e i 伽州 k i n e t i cf a c t o r ( 设定t o ) = k t “e - e l 册 d r i v i n gf o r c ee x p r e s s i o n = k i ( n c ? ) - k2 ( 兀c j v ) a d s o r p t i 。ne x p r e s s i 。n= 篷ki ( 1 - ic ；，) m r = r a t eo fr e a c t i o n k 一 = p r e - e x p o n e n t i a 1f a c t o r t = t e m p e r a t u rei n k e l v i n t o = r e f e r e n c et e m p e r a tu r ei nk e l v i n n = t e m p e r a t u r ee x p o n e n t e a 2 a c t i v a t i o n e n e r g y r= u n i v e r s a lg a sl a wc o n s t a n t c = c o m p o n e n tc o n c e n t r a ti o n m = a d s o r p t i o ne x p r e s s i o ne x p o n e n t k l ，k2 ，k i = e q u i l i b r i um c o n s t a n t s u = c o n c e n t r a ti o ne x p o n e n t i ，j= c o m p o n e n ti n d e x 2 2 多工况大规模化工过程模型序贯式参数估计 2 2 1p t a 氧化反应工段核心流程模型参数估计命题简介 构造p t a 氧化工段核心流程模型参数估计命题，待估计参数是氧化反应动 力学模型中1 0 条反应方程所对应的反应动力学速率常数k 。测量变量为现场认 可的对生产具有指导意义的7 个变量：每小时t a 产量、产品中4 c b a 浓度、每 小时醋酸消耗量、尾气0 2 浓度、尾气c o 浓度、尾气c 0 2 浓度、结晶器尾气0 2 浓度。 通过对现场生产数据分析与处理，得出5 个工况的稳态生产数据。每个工况 中的反应器负荷、进料组成、反应器温度、反应器压力、反应器液位、催化剂浓 度等都不相同。构造多工况下的全联立反应动力学参数估计命题如下： p t a 氧化反应动力学模型参数估计 m i z 9 jx ( y 守一y 了) 2 i = li = | s f f ( x y k ) = 0 k = l k l k kn 1 i b p k p u b | p p = 1 , 2 ，3 1 0 上述参数估计命题符号解释如下： 工； 模型输入变量，如反应器温度，压力等。 f 模型等式方程。 七? 待估计参数向量 驴f ，：i 工况下测量变量j 的权重系数 t o p ： 第p 维带估计参数下界 b p ； 第p 维带估计参数上界 j ，：i 工况下，测量变量j 的模型计算值 y ：i 工况下，测量变量j 的设定值 该参数估计命题变量维数达2 1 7 1 8 维，在a s p e np l u s 的e o 模式下，采用通 用的d m o 求解器进行求解，由于命题规模大，非线性强，直接求解不收敛。而 对该命题采用参数序贯的求解策略：目标函数和全联立命题相同，但是抛弃全联 立命题一次估计所有参数的方法，首先估计对目标函数敏感度最高的参数，然后 添加敏感度次高的参数进行估计，以此类推，按参数敏感度高低，逐步添加参数 进行估计，不断构造逼近原问题的参数估计命题。笔者发现随着子命题中待估计 参数的增加，其收敛性差。 2 2 2 序贯式参数估计策略 为解决传统参数估计算法收敛性差的问题，现提出一种新的序贯式参数估计 策略，此策略包含三大模块：目标序贯模块，参数序贯模块，自适应约束模块。 1 目标序贯模块 在序贯式参数估计策略求解的过程中，目标序贯模块用于构造参数估计命题， 通过目标的逐步有序的添加，同时配合约束的逐步调整，构造不断逼近原命题的 1 3 浙江大学硕士学位论文 参数估计子命题。其流程图如下： 图2 2 目标序贯模块流程图 实现步骤如下： s t e p1 根据问题的不同，按照一定规则对多工况下的测量变量进行分类排序。 构造初始参数估计子命题，目标函数：最小化所有工况下，第一类测量 变量计算值与设定值之间的残差。 s t e p2 求解此子命题，若直接求解不收敛，则对子命题采用参数序贯的求解策 略。 s t e p3 判断测量变量是否全部添加入目标函数中，否，则更新参数估计子命题， 将当前子命题目标函数中的测量变量添加入约束中，按序将下一类测量 变量加入目标函数。 s t e p 4 重复步骤2 、3 ，当所有测量变量都被加入目标函数，成功退出。 2 参数序贯模块 参数序贯模块在参数估计命题求解不收敛时，通过分析待估计参数与目标函 数之间的灵敏度关系，优先估计灵敏度高的参数，按灵敏度高低逐步添加参数进 行估计，从而增强参数估计命题的求解收敛性。其流程图如下： 1 4 p t a 氧化反应动力学模型参数估计 图2 3 参数序贯模块流程图 实现步骤如下： s t e p1 分析所有待估计参数与目标函数间的灵敏度关系，按灵敏度高低对参数 进行排序。 s t e p2 构造新的参数估计子命题，待估计参数为灵敏度最高的参数。 s t e p3 求解参数估计子命题，不收敛则调用自适应约束模块，否则进入下一步。 s t e p4 判断是否所有参数都被估计，否，则更新参数估计子命题，按序添加下 一个参数进入待估计参数序列。 s t e p5 重复步骤3 、4 ，直到所有参数都被估计。 s t e p 6 返回目标序贯模块。 3 自适应约束模块 在a s p e np l u s 联立模式下求解参数估计命题，会遇到迭代过程中算法报错退 出，导致求解失败的情况。这是由于a s p e np l u s 在迭代求解的过程中，解进入不 可行域，即解不满足约束，导致算法报错退出。 参数估计命题从本质上说是一个优化命题，a s p e np l u s 在求解此类命题前必 浙江大学硕士学位论文 须先进行模拟运算，保证求解此类命题时初始点满足等式约束。在研究过程中， 笔者发现在待估计参数的约束边界足够逼近参数初值的情况下，a s p e np l u s 求解 参数估计命题可以收敛，以此收敛的值作为下次求解的初值，逐步放大参数的约 束边界，逐步求解，最终使得参数的约束边界与原命题参数约束边界一致，参数 估计命题求解收敛。其流程图如下： 图2 4 自适应约束模块流程图 实现步骤如下： s t e p1 初始化工作，包括设置约束放大系数c o n i ，约束缩小系数c o n 2 ，前次 求解收敛的参数约束上界o mu b ，前次求解收敛的参数约束下界o ml b ， 1 6 f f f a 氧化反应动力学模型参数估计 参数初值加，上界放大步长s t e p _ u b ，下界放大步长s t e p _ l b 。 s t e p2 判断当前参数约束边界是否与o mu b 、o l dl b 一致，如果是，则按图示 规则设定新的约束边界并更新o mu b 与o l di b 的值，否则，按图示规则 设定新的约束边界。 s t e p3 求解新的参数估计命题。 s t e p4 判断是否收敛，不收敛则重置命题初值并跳转至s t e p2 ，收敛进入下一 步。 s t e p5 判断当前参数边界是否与原命题的参数边界一致，如一致，跳至s t e p9 ， 否则进入下一步。 s t e p6 判断当前参数约束边界是否与o mu b 、o ml b 一致，如是，则按图示规 则设置约束边界放大步长，否则，按图示规则设置约束边界放大步长并 更新o l du b 与o ml b 的值。 s t e p7 根据约束边界放大步长，按图示规则设定新的参数约束边界。 s t e p8 判断当前约束上界是否大于原命题参数约束上界，当前约束下界是否小 于原命题参数约束下界，如果是，则设定当前约束边界为原问题参数约 束边界，跳至s t e p3 ，否则直接跳至s t e p3 。 s t e p9 返回参数序贯模块 序贯式参数估计总流程如图2 5 所示： 1 7 浙江人学硕七学位论文 图2 5 序贯式参数估计总流程图 p t a 氧化反应动力学模型参数估计 2 2 3 序贯式参数估计在p t a 氧化反应工段核心流程模型校正上的应用 对于p t a 生产过程来说，最重要的首先是产品产量，其次是产品质量，再次 是醋酸消耗，再者是体现装置生产状态的尾气氧气，c o ，c 0 2 浓度等。因此根 据现场工艺，对测量变量进行分类排序如下：1 每小时t a 产量，2 产品中4 c b a 浓度，3 每小时醋酸消耗量，4 尾气c o 浓度，5 结晶器尾气0 2 浓度，6 尾气c 0 2 浓度，7 尾气0 2 浓度。 对氧化反应工段模型进行多工况下的序贯式参数估计，第l 步，调用目标序 贯模块，构造参数估计子命题如下： 5 r m i n 吼陟叫矿夕2 i = l j = l s t 绗，y k ) = 0 k = ( k 1 k 2 k 。1 l b ，k p u b ， p = 1 , 2 ，3 一1 0 在a s p e np l u s 的e o 模式下，调用d m o 求解器直接求解上述参数估计命题不 收敛，因此调用参数序贯模块，使, 用a s p e np l u s 提供的e os e n s i t i v i t y _ t - 具分析目 标函数与参数之间的灵敏度关系，从左至右按灵敏度高低对参数排序如下： 【k 3 ，k 6 ，k l o ，k 8 ，k 9 ，k 7 ，k 5 ，k 4 ，k l ，k 2 】 参数序贯第l 步：待估计参数：k 3 。求解收敛。 参数序贯第2 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 】。求解收敛。 参数序贯第3 步：待估计参数：【k 3 ，k 6 ，k l o 。求解收敛。 参数序贯第4 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k 1 0 k 8 】。直接求解不收敛，对k 8 采 用自适应约束策略，其边界轨迹图如下，图中横坐标表示迭代步骤，纵坐标表示 约束边界值： 参数髓自适应约柬孰迹圉 图2 6 参数k s 自适应约束轨迹图 参数序贯第5 步：待估计参数： k 3 ，k 6 ，k l o ，k 8 ，k 9 】。直接求解不收敛，对 k 9 采用自适应约束策略，其边界轨迹图如下，图中横坐标表示迭代步骤，纵坐标 表示约束边界值： 参数k 9 白适应约束轨迹圈 图2 7 参数k 。自适应约束轨迹图 参数序贯第6 步：待估计参数：【k 3 ，k 6 ，k l o ，k s ，k 9 ，k 7 】。求解收敛。 f q a 氧化反应动力学模型参数估计 参数序贯9 7 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，k 8 ，k 9 ，k 7 ，k 5 】。求解收敛。 参数序贯第8 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，l ( 8 ，k 9 ，k 7 ，k 5 ，l ( 4 】。求解收 敛。 参数序贯第9 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，l ( 8 ，k 9 ，k 7 ，k 5 ，k 4 ，k i 】。求解 收敛。 参数序贯第l o 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，k 8 ，k 9 ，k 7 ，k 5 ，l ( 4 ，k l ，k 2 】。 求解收敛。 通过参数序贯模块以及自适应约束模块的调用，使得直接求解失败的参数估 计子命题求解收敛，求解结束后多工况下测量变量计算值与设定值信息见表2 1 、 表2 2 、表2 3 。 表2 1 测量变量信息表 表2 2 测量变量信息表 表2 3 测量变量信息表 由表2 1 、表2 2 、表2 3 可知，在求解序贯式参数估计第l 步子命题收敛后， 2 1 浙江大学硕十学位论文 t a 产量的设定值与计算值间最大相对误差0 2 0 9 。 序贯式参数估计第2 步，调用目标序贯模块，构造参数估计子命题如下： j2 肌仂缈。，纱叫夕2 i = lj = l s f 触y ，k ) = 0 k = f kj k 2 ，kp 】 l b j 口k ，u b p l b 雌墨y 矿su b _ t l ，= 1 p = 1 , 2 3 1 0 直接求解上述参数估计命题不收敛，因此调用参数序贯模块，分析目标函数 与参数之间的灵敏度关系，从左至右按灵敏度高低对参数排序如下： 【k 3 ，k 6 ，k l o ，k 9 ，k 7 ，k s ，k 4 ，k s ，k 2 ，k l 】 参数序贯第l 步：待估计参数：k 3 。求解收敛。 参数序贯第2 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 】。求解收敛。 参数序贯第3 步：待估计参数：【k 3 ，k 6 ，k l o 。求解收敛。 参数序贯第4 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，k 9 。求解收敛。 参数序贯第5 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，k 9 ，k 7 】。求解收敛。 参数序贯第6 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，k 9 ，k 7 ，k s 。求解收敛。 参数序贯第7 步：待估计参数：【k 3 ，l 6 ，k l o k 9 ，k 7 ，k 5 ，l ( 4 】。求解收敛。 参数序贯第8 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k i o ，k 9 ，k 7 ，k 5 ，l ( 4 ，k 8 】。求解收 敛。 参数序贯第9 步：待估计参数：【k 3 ，k 6 ，k l o ，k 9 ，k 7 ，k 5 ，k 4 ，k s ，k 2 】。求解 收敛。 参数序贯第l o 步：待估计参数：【k 3 ，l ( 6 ，k l o ，k 9 ，k 7 ，k 5 ，k 4 ，l ( 8 ，k 2 ，k l 】。 求解收敛。 通过参数序贯模块的调用，使得直接求解失败的参数估计子命题求解收敛， 求解结束后多工况下测量变量计算值与设定值信息见表2 4 、表2 5 、表2 6 。 f r f a 氧化反应动力学模型参数估计 表2 4 测量变量信息表 表2 5 测量变量信息表 表2 6 测量变量信息表 由表2 4 、表2 5 、表2 6 可知，在求解序贯式参数估计第2 步子命题收敛后， t a 产量的设定值与计算值间最大相对