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反應與精餾強化過程的自動控制與性能優化技術

1.項目背景化學反應器與精餾裝置是石化生產過程中使用最為廣泛的設備，也是最主要的耗能單元，反應器與精餾塔運行的好壞直接關系到石油化工企業的經濟效益。反應與分離強化過程通常由多個單元耦合聯接而成，其不僅涉及反應與分離能力的協同機制、多單元組合與系統整體運行效能的關系，而且強化過程具有強非線性、大滯后和多變量耦合特性，以及經濟、環境與安全等不確定性因素的干擾，都對強化過程的平穩操作、協同調控與分級優化帶來諸多的挑戰。采用反應與精餾強化技術，通過傳質與傳熱的強化、物質流與能量流相互耦合，使強化過程具有大幅度提高反應轉化率或選擇性，降低生產能耗和污染物排放等優越性。然而這種集成優勢只有在反應能力與分離能力動態協同作用條件下才能被充分發揮，而且強化過程具有多穩態、強非線性和多變量強耦合特性，這些都對強化過程的自動控制與優化理論提出了新的挑戰。采用傳統控制模式，當系統受到干擾時，很容易引起反應與分離能力動態失調和工況發生大范圍波動與偏移，造成產品質量不合格和能耗增加等控制難題。因此，在傳統控制模式的基礎上，探索反應與精餾強化過程的動態協同調控方法與動態優化理論，對解決集成裝置的平穩操作與自動控制難題，切實提高系統運行品質，有效降低裝置生產能耗和污染物排放方面具有重要意義 2.項目技術原理南京工業大學綠色化工研究所，經過多年研究發明了不同工況反應與蒸餾集成技術，可根據不同體系的特殊要求，實現不同工況反應與精餾的最佳匹配，解決了反應與蒸餾操作條件必須一致等問題。本項目在對強化過程機理模型、經濟穩態優化和動態特性分析的前期研究基礎上，研究反應能力與精餾能力的動態協同調控新方法和強化過程的分級優化理論，提出反應與精餾強化過程一體化設計思想，對傳統多單元生產過程具有很好的借鑒作用。項目針對反應與精餾過程自動控制系統設計與性能優化調節方面主要開展以下技術：（1）反應與精餾強化過程多變量自動控制方案的設計與性能分析在對反應與精餾過程機理建模、經濟穩態優化設計和動態特性分析基礎上，采用穩態增益矩陣和奇異值分析方法，合理選擇過程被控變量和操作變量配對模式，運用傳統控制策略設計反應精餾強化過程多變量自動控制方案，采用ASPEN PLUS流程模擬軟件和ASPEN DYNAMIC模塊進行控制方案的動態模擬測試，并根據實際工藝擾動情況，通過在動態流程模擬系統上分別加入不同幅度和方向的多種擾動和改變系統設定值，評價傳統控制模式閉環系統性能，在此基礎上，改進自動控制方案設計，確保設計的自動控制方案在實際應用中能夠維持平穩有效運行。（2）生產負荷自動調節和優化技術原理反應與精餾過程的生產負荷經常隨著市場需求的變化進行調整，負荷的變化將可能引起系統工況的波動，產品質量下降，能耗增加等問題，甚至造成系統不穩定而被迫停機。本項目采用設定值多步長滾動優化、偏差區域容忍動態矩陣控制與傳統控制相融合方法，實現反應與分離能力動態協同調控；本項目在多變量基礎控制系統上，在關鍵控制回路增加設定值智能調節模塊和多變量協調預測控制模塊，分別采用設定值多步長滾動優化、偏差區域容忍動態矩陣控制（Error tolerant DMC）與傳統控制相融合方法，實現反應能力與分離能力動態協同調控，使系統獲得了良好的跟蹤性能和魯棒性。解決傳統控制模式下擾動引起反應與分離動態失調，導致產品質量不合格、能耗和污染物排放增加等控制問題。在多變量協調預測控制模塊設計中，對于反應器出口成分和產品質量等不可在線測量的關鍵變量，采用機理模型和經驗模型建立產品成分軟測量模型，實現對產品成分、反應轉化率等不可測被控變量的在線估計。（3）反應與精餾強化過程的系統性能優化技術在經濟穩態優化設計前期研究基礎上，開展多目標多約束動態優化與多變量跟蹤控制相結合的分級優化理論研究。在上層多目標多約束的動態優化設計中，是以能耗和操作成本最小為優化目標，以質量、尾氣/廢液排放和過程動態模型等為約束條件，采用多目標優化算法對強化過程的關鍵操作參數進行動態優化計算，給出工況最優調節方案。根據多目標動態優化給出的關鍵參數設定值最優調節方案，采用設定值多步長滾動優化給出多變量預測控制的參考軌跡，通過多變量協調預測控制和基礎控制回路的跟蹤調節，使系統輸出快速跟蹤設定值的最佳操作值，實現工況優化與平滑調節，確保系統維持高品質運行特性，從源頭降低工況大范圍波動和事故發生的概率。 3.關鍵技術路線項目針對反應與精餾過程，融合了化學工程理論、自動控制理論、智能學習算法與計算機模擬技術，采取理論研究、模擬實驗和工業應用相結合的技術路線，如下圖所示。項目分別開展反應精餾過程的多變量基礎控制系統設計、反應與分離能力動態協同調控新方法、強化過程分級優化理論研究，并將項目成果融合，開展不同工況反應與精餾強化過程的一體化工程設計，研制一套流程模擬綜合實驗平臺，進行模擬驗證和工程應用研究。 4.項目技術特色和創新性（1）針對反應與精餾強化過程，在傳統控制模式下擾動引起反應與分離動態失調和工況偏移，導致集成優勢難以充分發揮工程問題，項目提出將設定值多步長滾動優化、偏差區域容忍動態矩陣控制、多目標多約束動態優化與傳統基礎控制相融合的動態協同調控新方法與分級優化理論，在反應與分離動態協同作用下實現工況的優化與平滑調節，確保系統維持高品質運行特性。（2）項目沿著學科交叉與融合方向，將化學工程理論、自動控制理論、智能學習算法與計算機模擬技術相結合，提出不同工況反應與精餾強化過程流程模擬、控制系統設計與集成優化理論相結合的一體化工程設計思想，并在常壓反應與減壓精餾集成的甲苯氯化反應精餾工業裝置上進行工程應用研究，解決裝置自動控制與平穩操作等實際控制問題，發揮強化過程高轉化率/高選擇性、低能耗的集成優勢。

南京工業大學 2021-01-12

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