过程设计控制及优化大作业.docx

1、过程设计控制及优化大作业过程优化与设计结课作业 班级： 姓名： 学号：1问题描述 给定一个精馏塔用来分离组件混合物A和B，A和B的相对挥发度为2，工作压力为9巴。其进料流量为100摩尔/ s，成分组成比为ZA：ZB0.5:0.5。顶部和底部的产品成分分别为0.95（A）和0.95（B）。A和B组成的混合物的潜热是6944卡/摩尔，并且它们满足不断溢出条件。系统浓度为1mol，冷凝器和再沸器为30mol，系统液压时间常数为8秒。2设计一个理想的精馏塔控制（1）建立精馏塔的静态模型和动态模型A.静态模型实际的精馏过程是一个复杂的动态过程，由于建立模型是所作的假设不同，动态精馏过程数学模型的简繁程度

2、也不同，模拟的计算结果与实际情况之间有大小不同的偏差。所以我们进行一些假设。模型假设：i）每块塔板上汽相与液相分别为理想混合，因而两相都可以采用集中参数模型； ii）两组分的摩尔汽化潜热近似相等，汽相和液相在沿塔轴向运动过程中，显热变化对热量衡算的影响以及热损失的影响均可忽略不计； iii）整个塔中苯对甲苯的相对挥发度保持恒定；1.质量守衡方程冷凝器 (j = 1) V2*yi,2-L1*xi,1-D*xi,1=0 （1.1）中间塔板 (1 j N ) Vj+1*yi,j+1+Lj-1*xi,j-1-Lj*xi,j-Vj*yi,j+Fj*zi,j=0 (1.2)再沸器 (j = N) LN-1

3、*xi,N-1 - LN*xi,N - VN*yi,N = 0 (1.3)2.能量守衡方程冷凝器 (j = 1) : V2*H2-L1*H1-D*H1 = 0 (2.1) 中间塔板 (1 j N ) Vj+1*Hj+1+Lj-1*Hj-1-Lj*Hj-Vj*Hj+Fj*Hj=0 (2.2)再沸器(j = N) LN-1*HN-1-LN*HN-VN*HN=0 (2.3)3.气液平衡方程 yi=*xi/(-1)*xi+1 (3.1) Pj=xA,jPAs + xB, jPBs (3.2) LnPis = Avp, iBvp, i/Tj (3.3) A(Avp/Bvp)=12.3463/3862 B

4、(Avp/Bvp)=11.6531/3862 4.归一化方程Sumxi, j = 1.0 j = 1, , N; i = A, B (4.1) Sumyi, j = 1.0 j = 1, , N; i = A, B (4.2) B.静态模型 塔内共有N-1块塔板，以J表示塔板序号，自上而下，将冷凝器和塔顶储罐作为一块塔板将再沸器和塔釜作为第N块塔板。进料中含有A,B两种组分。每块塔板均有出料或进料，与外界热量交换可忽略不计。模型假设：iv）塔内压力恒定； v）离开每一块塔板的汽液两相处于平衡状态； vi）每块塔板上的持液量远大于持汽量，后者及其变化可以忽略不计； vii）每块塔板上的液相充分混

5、合且温度分布均匀； viii）塔板间汽液相的传递滞后忽略不计 xi）忽略再沸器和冷凝器的动态行为即能量平衡方程为拟稳态的；1.质量守衡方程冷凝器 (j = 1) d(L1*xi,1)/dt=V2*yi,2-L1*xi,1-D*xi,1 （1.1）中间塔板 (1 j N ) d(Lj*xi,j)/dt=Vj+1*yi,j+1+Lj-1*xi,j-1-Lj*xi,j-Vj*yi,j+Fj*zi,j (1.2)再沸器 (j = N) d(LN*xi,N)/dt=LN-1*xi,N-1 - LN*xi,N - VN*yi,N (1.3)2.能量守衡方程冷凝器 (j = 1) : d(L1h1)/dt=

6、V2*H2-L1*H1-D*H1 (2.1) 中间塔板 (1 j 0 为滤波器的时间常数，是内模控制器仅需要调节的设计参数。第3 步：整定滤波器常数r，使控制系统的鲁棒性和控制性能达到最优。整理得： f(s)通常表示一个低通滤波器的传递函数，即f(s)= 1/(1+rs)，将其带入上式得： 第4 步：将内模控制器转化为反馈控制器的形式，再利用长除法将反馈控制器转化为标准的PID控制器形式有：1）输入为回流量R时的标准PID控制器参数为 2）输入为塔底蒸汽流量时的标准PID控制器参数为： 结果分析： 把设计的解耦控制器和基于解耦的内模PID控制器应用到A和B的相对挥发度为2的系统当中，验证解耦控制器的性能，在R= 0 和S= 0 两种情况时，扰动输出波形都有个震荡后又回到0，而另外的波形则与R=1 和S=1 波形完全一样，所以说应用对角矩阵法设计的解耦控制器是正确的，这样塔顶轻组分和塔底轻组分之间的耦合性消除了，可以分别实现精确控制。而且原来已经达到稳定的系统受到干扰信号的影响后，虽然产生了较大的波动，但是在很短的时间很快又恢复稳定。以上结果表明，对于典型的二元精馏塔被控对象所设计的基于解耦的内模PID控制器，增强了精馏塔系统的鲁棒性，提高了系统的抗干扰能力。（4）优化方案精馏塔作为