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反应与精馏强化过程的自动控制与性能优化技术
1.项目背景 化学反应器与精馏装置是石化生产过程中使用最为广泛的设备,也是最主要的耗能单元,反应器与精馏塔运行的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。反应与分离强化过程通常由多个单元耦合联接而成,其不仅涉及反应与分离能力的协同机制、多单元组合与系统整体运行效能的关系,而且强化过程具有强非线性、大滞后和多变量耦合特性,以及经济、环境与安全等不确定性因素的干扰,都对强化过程的平稳操作、协同调控与分级优化带来诸多的挑战。 采用反应与精馏强化技术,通过传质与传热的强化、物质流与能量流相互耦合,使强化过程具有大幅度提高反应转化率或选择性,降低生产能耗和污染物排放等优越性。然而这种集成优势只有在反应能力与分离能力动态协同作用条件下才能被充分发挥,而且强化过程具有多稳态、强非线性和多变量强耦合特性,这些都对强化过程的自动控制与优化理论提出了新的挑战。 采用传统控制模式,当系统受到干扰时,很容易引起反应与分离能力动态失调和工况发生大范围波动与偏移,造成产品质量不合格和能耗增加等控制难题。因此,在传统控制模式的基础上,探索反应与精馏强化过程的动态协同调控方法与动态优化理论,对解决集成装置的平稳操作与自动控制难题,切实提高系统运行品质,有效降低装置生产能耗和污染物排放方面具有重要意义 2.项目技术原理 南京工业大学绿色化工研究所,经过多年研究发明了不同工况反应与蒸馏集成技术,可根据不同体系的特殊要求,实现不同工况反应与精馏的最佳匹配,解决了反应与蒸馏操作条件必须一致等问题。本项目在对强化过程机理模型、经济稳态优化和动态特性分析的前期研究基础上,研究反应能力与精馏能力的动态协同调控新方法和强化过程的分级优化理论,提出反应与精馏强化过程一体化设计思想,对传统多单元生产过程具有很好的借鉴作用。项目针对反应与精馏过程自动控制系统设计与性能优化调节方面主要开展以下技术: (1)反应与精馏强化过程多变量自动控制方案的设计与性能分析 在对反应与精馏过程机理建模、经济稳态优化设计和动态特性分析基础上,采用稳态增益矩阵和奇异值分析方法,合理选择过程被控变量和操作变量配对模式,运用传统控制策略设计反应精馏强化过程多变量自动控制方案,采用ASPEN PLUS流程模拟软件和ASPEN DYNAMIC模块进行控制方案的动态模拟测试,并根据实际工艺扰动情况,通过在动态流程模拟系统上分别加入不同幅度和方向的多种扰动和改变系统设定值,评价传统控制模式闭环系统性能,在此基础上,改进自动控制方案设计,确保设计的自动控制方案在实际应用中能够维持平稳有效运行。 (2)生产负荷自动调节和优化技术原理 反应与精馏过程的生产负荷经常随着市场需求的变化进行调整,负荷的变化将可能引起系统工况的波动,产品质量下降,能耗增加等问题,甚至造成系统不稳定而被迫停机。本项目采用设定值多步长滚动优化、偏差区域容忍动态矩阵控制与传统控制相融合方法,实现反应与分离能力动态协同调控;本项目在多变量基础控制系统上,在关键控制回路增加设定值智能调节模块和多变量协调预测控制模块,分别采用设定值多步长滚动优化、偏差区域容忍动态矩阵控制(Error tolerant DMC)与传统控制相融合方法,实现反应能力与分离能力动态协同调控,使系统获得了良好的跟踪性能和鲁棒性。解决传统控制模式下扰动引起反应与分离动态失调,导致产品质量不合格、能耗和污染物排放增加等控制问题。在多变量协调预测控制模块设计中,对于反应器出口成分和产品质量等不可在线测量的关键变量,采用机理模型和经验模型建立产品成分软测量模型,实现对产品成分、反应转化率等不可测被控变量的在线估计。 (3)反应与精馏强化过程的系统性能优化技术 在经济稳态优化设计前期研究基础上,开展多目标多约束动态优化与多变量跟踪控制相结合的分级优化理论研究。在上层多目标多约束的动态优化设计中,是以能耗和操作成本最小为优化目标,以质量、尾气/废液排放和过程动态模型等为约束条件,采用多目标优化算法对强化过程的关键操作参数进行动态优化计算,给出工况最优调节方案。根据多目标动态优化给出的关键参数设定值最优调节方案,采用设定值多步长滚动优化给出多变量预测控制的参考轨迹,通过多变量协调预测控制和基础控制回路的跟踪调节,使系统输出快速跟踪设定值的最佳操作值,实现工况优化与平滑调节,确保系统维持高品质运行特性,从源头降低工况大范围波动和事故发生的概率。 3.关键技术路线 项目针对反应与精馏过程,融合了化学工程理论、自动控制理论、智能学习算法与计算机模拟技术,采取理论研究、模拟实验和工业应用相结合的技术路线,如下图所示。项目分别开展反应精馏过程的多变量基础控制系统设计、反应与分离能力动态协同调控新方法、强化过程分级优化理论研究,并将项目成果融合,开展不同工况反应与精馏强化过程的一体化工程设计,研制一套流程模拟综合实验平台,进行模拟验证和工程应用研究。 4.项目技术特色和创新性 (1)针对反应与精馏强化过程,在传统控制模式下扰动引起反应与分离动态失调和工况偏移,导致集成优势难以充分发挥工程问题,项目提出将设定值多步长滚动优化、偏差区域容忍动态矩阵控制、多目标多约束动态优化与传统基础控制相融合的动态协同调控新方法与分级优化理论,在反应与分离动态协同作用下实现工况的优化与平滑调节,确保系统维持高品质运行特性。 (2)项目沿着学科交叉与融合方向,将化学工程理论、自动控制理论、智能学习算法与计算机模拟技术相结合,提出不同工况反应与精馏强化过程流程模拟、控制系统设计与集成优化理论相结合的一体化工程设计思想,并在常压反应与减压精馏集成的甲苯氯化反应精馏工业装置上进行工程应用研究,解决装置自动控制与平稳操作等实际控制问题,发挥强化过程高转化率/高选择性、低能耗的集成优势。
南京工业大学 2021-01-12
一种保湿的水凝胶活体材料及其制备方法
本申请提供一种保湿的水凝胶活体材料及其制备方法,包含以水凝胶活体材料为第一组分的基体材料和以2‑甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱或其衍生物为第二组分的保湿功能材料,通过保湿功能单元的疏水水合功能,促进水分子形成笼状水结构,利用溶剂置换法将保湿功能单元与水凝胶活体材料的溶剂进行置换,构成保湿的水凝胶活体材料,从而达到抗脱水的目的,赋予材料优异的保湿性能,生物相容性出色,有效抵御在非湿润环境中使用的脱水风险。
南京工业大学 2021-01-12
无机陶瓷超滤膜在化工行业中的应用
1.催化剂回收技术 在石化和化工生产中,催化剂的应用非常广泛,反应后一般需要对产物和催化剂进行分离。由于无机陶瓷膜具有良好的耐热、耐化学溶剂和较好的机械强度,在石化和化工生产的催化剂回收方面显现了突出的优势,已经在多个厂家得到应用。 与传统的沉降、板框过滤、离心分离所不同的是,陶瓷膜的催化剂与反应产物的固液分离中主要采用错流过滤方式。需分离料液在循环侧不断循环,膜表面能够截留住分子筛催化剂,同时让反应产物透过膜孔渗出。由于流体流动平行于过滤介质表面,使过滤阻力大大降低,从而可在较低的压力下保持较高的渗透通量,使过滤操作可以在较长时间内连续进行,使浓缩液催化剂固含量达到一个较高的水平。 传统催化剂分离方式的缺点: ▲催化剂流失量大,利用率低; ▲产品中催化剂含量易超标,影响品质; ▲催化剂再生不易彻底,使用寿命短; ▲自动化程度低、劳动强度大,多为间歇反应。 陶瓷膜分离技术应用于催化剂回收和再生的优点: ▲可回收超细粉体、纳米催化剂; ▲陶瓷膜可耐高温、耐有机溶剂、耐强酸强碱,可在绝大多数反应中应用; ▲产品中催化剂含量极少,提高产品品质; ▲催化剂损失率低,降低生产成本; ▲催化剂再生效果好,重复使用次数提高,延长催化剂寿命; ▲可实现全密闭自动化连续生产。 该技术已经在巴陵石化、蚌埠八一、金坛华阳化工厂、连云港三吉利化工有限公司等企业成功应用。 2.超细粉体陶瓷膜处理技术 在化工等领域,经常面临粉体颗粒悬浮液的固液分离过程。随着科技的进步,粒子的尺度逐渐趋于超细化,超细粒子的固液分离,特别是固液非均相高效分离极为困难。由于微粒的布朗运动,传统的重力沉降几乎无法使用。 以滤布为过滤介质的各类过滤技术,一方面由于过滤介质的制约,对超细颗粒过滤的截留性能差,产品流失严重,另一方面它是靠滤饼颗粒的架桥作用来实现颗粒的截留,如果颗粒越小,形成的滤饼层就越致密,随着滤饼层的不断增厚,过滤阻力大,过滤速度越来越小,滤饼的洗涤也十分困难,洗涤效果差,操作劳动强度大。离心分离难以实现大型化,一般的工业离心机只能分离微米级的颗粒,而且离心洗涤操作复杂,劳动强度大,效率低。水力旋留器也是依靠离心力的作用,使固体颗粒进行分离,但是主要用于液相湿法分级,而且其分离的临界粒径一般在10微米以上。 近年来发展的无机陶瓷膜在液体分离领域应用日益广泛,它独特的错流过滤方式,优异的物理、化学性能和机械强度,为超细粉体的生产提供了新型的分离和洗涤技术。 无机陶瓷膜具有耐腐蚀,机械强度高,孔径分布窄等突出优点,并且清洗方便,膜通量高,使用寿命长。处理粉体洗涤和浓缩时具有操作稳定,通量高,出水水质好,占地面积小。 陶瓷膜回收硫酸法生产钛白粉中废酸和废水中的钛白颗粒实例: 钛白粉是重要的化工产品,可广泛的用于涂料、塑料、造纸、化纤、橡胶、搪瓷等行业。硫酸法钛白粉生产工艺中最大的问题在于废酸、废水的排放量大,导致严重的环境污染。而随废酸、废水排放,则带去价格昂贵的偏钛酸粒子和TiO2粒子。由于这些粒子粒径小,常规的液固分离无法全部回收这部分粒子,排放后既污染环境又造成经济。使用陶瓷膜可以回收90%以上的钛白粒子,料液增浓后回上片槽处理,而渗透得到澄清的稀硫酸的溶液可回用,为陶瓷微滤膜在钛白粉水洗液的工业应用奠定了基础。 3.化工产品的净化与回收技术 无机膜除了在环保、食品、生物制药等行业得到了广泛的应用和开发外,在其它工业过程如化工、石油化工、新材料等方面日益受到重视,其应用涉及产品的净化与回收,对于提高产品质量和收率,降低生产成本具有重要的作用。公司已经为多家企业成功设计制造了相关陶瓷膜和有机膜工业装置,目前主要应用在以下领域: 1、钛白粉产品的回收 2、陶瓷工业的物料回收 3、纳米二氧化硅洗涤纯化 4、纳米氧化钛、氧化锌、氧化铝等氧化物的洗涤纯化 5、纳米碳酸钡等纳米无机盐的洗涤纯化 6、纳米高岭土、蒙脱石等矿物的洗涤纯化 7、纳米药物的洗涤纯化 8、纳米钛硅分子筛的洗涤 9、纳米催化剂的洗涤、截留 10、环保纺织助剂的洗涤纯化 11、荧光增白剂洗涤脱盐
南京工业大学 2021-01-12
利用抗除草剂基因的油菜化学杀雄制种技术
该发明属于农作物标记辅助育种技术领域,具体涉及利用抗除草剂基因的油菜化学杀雄制种方法。该发明提出了一个改良程序,能够简化的、安全的以及经济的利用化学杀雄制种的方法:即在无遮挡措施条件下,利用除草剂苯磺隆的同时处理(喷施相同浓度的苯磺隆溶液)父母本,允许母本植株雄性不育,父本植株(携带又除草剂抗性基因)雄性可育。该程序主要特点是既可以保证优良杂交种的安全生产,又可以允许化学杀雄剂苯磺隆规模化喷施(不需要在遮挡条件下保护父本)可以降低生产成本,提高杂种优势利用在生产甘蓝型油菜杂交种的效率。 市场预期:该成果具有良好的市场前景,可以同时降低油菜化学杀雄制种的风险以及成本。 转化条件:制种试验田、苯磺隆除草剂以及实施田间除草剂处理的机械等。 成果完成时间:2016年
华中农业大学 2021-01-12
微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法
本发明公开了一种微型皮拉尼计的制备方法及其与体硅器件集成加工的方法。集成加工的方法包括:在硅基片正面制备体硅器件所需的绝缘层及电路引线;在硅基片的背面或正面沉积一层绝缘隔热材料,刻蚀去除其四周部分得到绝缘隔热层;在绝缘隔热层上制备加热体和电极;在没有加热体的一面制备图形化的光刻胶掩膜;在有加热体的一面沉积金属膜;将金属膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上;对有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀,刻穿硅基片;去除光刻胶掩膜和金属膜,得到集成结构。本发明能有效提高皮拉尼计的制备与其它工艺的兼容性,解决皮拉尼计与体硅器件集成封装工艺难度大,风险高,成本高且产量低的技术问题。
华中科技大学 2021-04-14
一种采用自动调心轴承的轴系实验台架
一种采用自动调心轴承的轴系实验台架,属于船舶轴系实验台架,解决现有船舶轴系试验台架艉轴承装卸困难,操作不便的问题。本发明包括电机、齿轮箱、中间轴承、艉轴承和变频器,所述艉轴承由轴套、轴瓦和多根键条构成,轴套由形状相同的上半轴套和下半轴套组成,上、下半轴套的半圆弧面上具有轴向上通槽;轴瓦由一体的筒体和法兰盘构成,筒体内壁具有三道环形凹腔,筒体外壁开有轴向键槽,用于容纳所述键条;所述键条包括刚性键条和弹性键条,分别用以模拟刚性支撑工况和弹性支撑工况。本发明结构简单,装卸方便,能简单快捷地实现自动调心艉轴承与普通刚性轴承的转换,实现轴系在两种不同支撑工况下的静动态特性对比试验研究。
华中科技大学 2021-04-14
动力锂离子电池正极材料的改进与产业化
对锰酸锂,三元材料,富锂高容量高电压正极材料和高电压锰酸锂正极材料进行了多年的系统研究,通过合成方法,原料配比及掺杂改进,使所得的正极材料在循环稳定性,倍率性能及高温性能等方面都得到明显改进。综合性能达到国际先进水平。可以进行产业化和大规模应用,不但可以用于小型锂离子电池,更适合于大型的动力锂离子电池和储能电池。
江南大学 2021-04-13
一种低胆固醇高纯度蟹黄油的加工方法
河蟹是营养和食疗价值较高的水产食品。蟹中以蟹黄的营养价值最高。它含 有丰富的微量元素、胶原蛋白、钙、磷等多种人体必须的营养成份,有“海中黄金”之称。目前在我国,螃蟹以鲜销为主,以蟹黄包、蟹黄饼及炒制的蟹黄油酱料为辅。 其食用有季节性限制,而且蟹黄中胆固醇含量高。人体内过多的胆固醇将引起高血脂,并进而引发动脉粥样硬化、高血压、冠心病等一系列心血管疾病,因此控制饮食胆固醇摄入是非常必要的。 蟹黄不仅含脂量高,而且其所含的油脂具有优良的品质及较高的营养保健功能,如 EPA 和 DHA 等。 本发明采用较为成熟的酶水解和溶剂萃取两步单元操作技术的组合,工艺条件温和、常规、成熟,产品总出油率高。上述得到的蟹黄油胆固醇含量较高,用 β-环糊精包埋技术脱除胆固醇,即可得到低胆固醇的蟹黄油。本产品保持了蟹黄的鲜美风味和营养价值,且胆固醇含量低,是一种营养、美味、健康的水产食 品。 
江南大学 2021-04-11
大米品种和产地模式识别及其对黄酒品质的影响
本项目调查和分析了绍兴市黄酒行业的大米原料和产品品质分析鉴定滞后、工艺革新缓慢等制约黄酒发展的问题,选取了浙江古越龙山绍兴酒股份有限公司采购的不同品种和产地的大米作为研究对象,利用光谱学和化学计量学对大米进行了品种和产地的模式识别研究,进一步考察了不同大米原料的黄酒酿造工艺,以及不同品质的大米对黄酒最终品质的影响。建立了可以应用于从大米原料、工艺筛选到黄酒酿造及黄酒品质安全的追踪与溯源体系。 创新要点 (1)建立大米品种和产地模式识别系统; (2)明确了浸米工艺的重要指标; (3)实现了黄酒模式识别,确定了大米对黄酒品质的影响。 
江南大学 2021-04-11
拉舍尔花边生产的关键技术研究与应用
项目组系统研究了拉舍尔花边生产的关键技术,研制了具有自主知识产权、替代进口的高效花边生产系列装备,研发了功能强大、替代进口的花边设计仿真系统,建立了系统全面的花边设计理论,开发了多品种系列化的高端原创花边面料,形成了拉舍尔花边快速设计和高效生产的产业模式。 关键技术 (1)拉舍尔花边生产装备的高速化技术:构建了拉舍尔花边梳栉横移动运动、成圈运动、送经运动和牵拉运动的力学模型,采用高速运动控制技术、有限元分析和轻量化设计技术、多轴联动和分频技术等,研发了基于高动态响应的拉舍尔花边装备集成控制系统,实现了电脑花边装备的高速化。 (2)拉舍尔花边生产装备的复合提花技术:设计了多连杆凸轮组合压纱板运动曲线,建立了压电陶瓷贾卡选针和偏移模型,研制了压纱与衬纬复合、贾卡提花和多梳提花复合、剪线提花和多梳提花复合的系列化高端拉舍尔花边生产装备。 (3)拉舍尔花边设计系统的仿真与三维展示技术:建立了拉舍尔花边仿真的几何模型、力学模型和纹理模型,实现了对花边的真实感模拟,采用三维建模技术和 Web3D 技术,实现了花边的三维虚拟展示。 (4)拉舍尔花边设计理论的建立与应用:研究了拉舍尔花边图案构成方法、设计元素、设计风格,创立了花边风格分类方法,创新性的将金属丝、竹炭丝、羊毛纱、花式纱等用于花边设计,提出花边定位设计的理念,带动了国内花边产业的原创设计。 知识产权及项目获奖情况 论文 7 篇,专利一篇 项目成熟度 批量生产阶段 投资期望及应用情况 项目累积新增产值约 30 亿元,新增利润 6.7 亿元,新增税收 2.1 亿元。项目研究成果为拉舍尔花边生产的高速化和智能化提供了解决方案,增强了企业产品创新能力,推动了产业升级与技术进步。项目成果通过两种形式推广应用,一是应用装备生产关键技术,与机械制造企业联合开发高速化的系列拉舍尔花边整机装备,二是应用设计系统和设计理论,与花边生产企业联合开发高端花边产品。2012 年以来,已与江苏润源联合开发并推广高速化的拉舍尔花边整机装备 500 余套,与国内主要花边生产企业联合开发高端花边产品 420 余款,向中国大陆和台湾、美国、西班牙、日本等 11 个国家和地区推广花边设计系统 350 余套。 
江南大学 2021-04-13
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