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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
低渗致密油藏自驱动多效活性纳米粒子提高采收率技术
中国地质大学(北京) 2021-05-10
一种零中频全双工收发机的数字自干扰消除方法
本发明公开了一种零中频全双工收发机的数字自干扰消除方法,该方法主要应用于数字自干扰消除器内,根据接收端采样后得到的数字信号,以及发射端已知的数字波形,对收发机信号传输链路中的自干扰进行估计。该方法可消除理想元器件下发射机产生的自干扰,由发射链上变频调制器和接收链下变频解调器的IQ不平衡产生的镜像自干扰,由发射链功放失真产生的非线性自干扰,以及IQ不平衡和功放失真联合导致的镜像非线性自干扰。该方法相比较于传统的增广复数LMS算法,可以在发射信号功率较大时仍获得理想的自干扰消除效果和较快的收敛速度,具有很强的实用性。
东南大学 2021-04-11
基于分数阶的永磁同步电机速度环控制参数的自整定方法
本发明公开了一种基于分数阶的永磁同步电机速度环控制参数的自整定方法,其通过利用分数阶 PI 控制器代替永磁同步电机交流伺服系统中的整数阶 PI 控制器,并自动地整定所述分数阶 PI 控制器的参数,实现对永磁同步电机交流伺服系统的控制,该方法具体包括:首先采集所述交流伺服系统的电流与速度信号;其次,根据所述采集信号,辨识永磁同步电机伺服系统速度环被控对象模型,识别出模型的参数;最后,对控制参数进行寻优整定,获得最优的控制参数。本发明的方法利用分数阶 PI 控制器取代原有的整数阶 PI 控制器,并自动地
华中科技大学 2021-04-14
一种通过自底向上填充实现通孔互联的方法及其产品
本发明公开了一种通过自底向上填充实现通孔互联的方法,包括:(a)在基片的一个表面上加工制得盲孔;(b)在加工盲孔的基片表面上依次生长绝缘层、阻挡层和种子层;(c)向种子层表面上涂布光刻胶并填平盲孔,然后执行曝光及显影处理,以使光刻胶仅在盲孔底部的种子层表面上残留;(d)去除未覆盖光刻胶的种子层,而盲孔底部的种子层不受影响;(e)去除残留的光刻胶;(f)向盲孔中填充导电材料完成自底向上的生长;(g)减薄基片未加工盲孔的表面形成通孔,由此完成通孔互联过程。本发明还公开了相应的通孔互联结构产品。通过本发明
华中科技大学 2021-04-14
时空周期环境中反应-扩散-对流方程的自由边界问题
反应-扩散-对流方程是生物、物理及化学等科学领域中常用的、成功的数学模型,特别是用来描述种群在对流环境中的传播现象。除了具有深刻的应用背景之外,在反应扩散方程的数学研究中也不断提出新的有挑战的问题,因此关于反应扩散方程的研究一直是偏微分方程的热点之一。 我们解决两个方面的问题:(1)种群的传播会受到时间周期环境(比如季节)和对流环境的影响,产生丰富的现象(比如种群的迁移),第一个问题就是在时间周期环境中,结合种群的迁移现象设定新的合理的方程和自由边界条件,研究反应-扩散-对流方程的自由边界问题,揭示时间周期环境对种群传播的影响机制。(2)种群在向新领域传播的时候,往往受到空间位置(如有些地方的温度、水资源分布不均匀)和对流环境的影响,产生复杂的现象, 所以第二个问题就是在空间周期环境和对流环境中,针对单稳定和双稳定非线性项,分析空间因素对反应-扩散-对流方程解和自由边界渐近行为的影响,当自由边界扩张时,给出扩张前锋的渐近形状和渐近速度的精确估计,并给出空间周期环境中种群传播现象的理论依据。 该研究已获国家自然基金委立项支持。
上海电力大学 2021-04-29
一种用于处理有机废水的催化电解耦合反应器
本技术成果根据当前各种难降解有机废水的处理技术的优缺点,提出将传统的内电解技术与作为当前 研究热点的高级氧化技术进行耦合,开发和研究出一种对难降解污染物具有高效降解效率的层级式催化电 解耦合反应器。在设计上解决了以下几个问题:1.通过超声震荡辐射作用解决了传统的铁内电解床在实际 运行中存在反应柱堵塞、铁屑结块、填料更换困难等问题;2.将铁内电解产生大量Fe2+作为超声氧化和三 维电极氧化的催化剂,使Fe2+得到最大限度的利用;3.进水区上部的布水管即可使铁内电解去的活性炭处 于流化状态,同时又能为三位电极层供氧;4.超声的震荡辐射还能对三维电极的微电极进行活化,提高三 维电极的电流效率。5.微电极采用一种新型方法制备,其主要成分是复合的高岭土,加入多种催化离子。 能反复使用,不易流失。
中山大学 2021-04-10
关于蛋白质订书机酶实现高效多肽-多肽偶联反应
高效的 多肽 - 多肽偶联反应对于 制备蛋白 - 药物缀合物、调控蛋白质拓扑结构、生物成像 、化学生物学 等 领域 具有重要的意义 ,并因其可基因编码的特性 而 备受关注 。目前, 研究 报道 此类连接方法 并不太多 见 ,其中 分选酶( sortase ) 或 蝶豆粘酶 -1 ( butelase 1 ) 介导的偶联反应具有较好的底物 序列特异性 , 内含肽 ( intein ) 介导的蛋白质连接方法 可实现 可基因编码的高效主链连接, 而 转谷氨酰胺酶 ( transglutaminase ) 则 可以 介导 非特异性的 侧链异肽键 偶联 。近年来 , 多肽 - 蛋白质反应对 的 蓬勃发展 为此类工具 的 发展 提供了新的契机 。 已 有 谍连接酶( SpyLigase )和探连接酶( SnoopLigase ) 介导 的多肽 - 多肽偶联体系 见诸报道 ,但其效率仍 有 待提高, 而 其 细 胞内的应用前景仍有待探索。 最近 , 张文彬课题组发展了 独特的具有无序结构的 谍订书机 酶 ( SpyStapler ),可实现 谍标签 ( SpyTag )和北大 标签 ( BDTag )在 细 胞内和 细 胞外的高效偶联 (图 1 ) 。
北京大学 2021-04-11
一种多层落管式降膜脱挥反应器
本发明涉及一种多层落管式降膜脱挥反应器,主要包括外塔和多个塔芯。其中,外塔由塔顶、塔体与塔底组成,而安装在外塔内部的多个塔芯从上到下依次布置;塔芯由塔板与多个并行排列的降膜落管组成,降膜落管是由中空管和固定在中空管外侧壁上的多个开口朝下的伞裙状落套组成;中空管相互连接,其内部通有热介质,并由换热管路连接。相比于传统反应器,本发明结构简单,具有很大的气液界面,在膜表面产生拉伸作用,表面更新速率快;流量大,停留时间可控;结构简单,无外加动设备;反应能耗低,传热效率快。
浙江大学 2021-04-13
模块组合式微循环生物脱氮反应器
本实用新型公开了一种模块组合式微循环生物脱氮反应器。反应器主体为集装箱体,内部由若干模块组合而成,反应器垂向自下至上设分布区、反应区、分离区。分布区包含下循环道、升流导流室、降流导流室,设进水管、布水管、进气管、曝气管、排泥管、环流分隔支撑板、单元分隔支撑板。反应区设直管式填料,由升流导流室和降流导流室分隔为升流室和降流室,用作脱氮污泥浮升和沉降的通道。分离区包含上循环道,设环流分隔延伸板、单元分隔延伸板,气室,气体排放口、溢流槽、集水槽、排水管等。本实用新型以直管式填料为内构件,建立多个微循环反应单元,可提高反应器的有效高径比,改善反应器水力学行为,加快生物脱氮反应;在微循环反应单元中,亚硝酸边产生边转化,可消除亚硝酸所致的生物毒害和碱度消耗;反应器采用单元‑模块‑反应器逐级集成,便于反应器的制造、运输、组装、拆卸、检修以及按需扩容和按需搬迁。
浙江大学 2021-04-13
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