化工过程稳定性分析研究进展

化工过程在实际操作过程中时刻面临着扰动,稳定性作为化工过程可操作性的一个重要元素,决定着化工过程在扰动消失之后能否回到原来的操作点,直接关系到产品的质量以及过程的安全性。对于稳定性的研究有助于理解及调控化工过程的非线性行为,例如多稳态现象和持续振荡等,从而保证化工过程在扰动的作用下能够长周期、平稳、安全运行。本文从多稳态现象和多稳态点的稳定性分析、考虑稳定性的化工过程优化方法、化工过程稳定性的调控以及不确定性条件下的稳定性分析4个方面综述了化工过程稳定性分析的研究进展。     

化工过程稳定性分析研究进展

化工过程在实际操作过程中时刻面临着扰动,稳定性作为化工过程可操作性的一个重要元素,决定着化工过程在扰动消失之后能否回到原来的操作点,直接关系到产品的质量以及过程的安全性。对于稳定性的研究有助于理解及调控化工过程的非线性行为,例如多稳态现象和持续振荡等,从而保证化工过程在扰动的作用下能够长周期、平稳、安全运行。本文从多稳态现象和多稳态点的稳定性分析、考虑稳定性的化工过程优化方法、化工过程稳定性的调控以及不确定性条件下的稳定性分析4个方面综述了化工过程稳定性分析的研究进展。     

化工过程稳定稳态点抗扰动能力定量分析方法

为了从源头上设计本质安全化的化工过程,研究人员提出多种本质安全化的设计方法和策略,先后开发了多种用来比较不同反应路径中有害物质潜在威胁的定量评价指数。本文将化工过程的稳定性作为一个重要因素来研究本质安全化的化工过程的设计方法,通过研究化工过程稳定的稳态解能够承受的扰动范围,提出抗扰动能力指数定量说明稳定解对于扰动的承受能力。本文通过分析厌氧发酵过程和甲基丙烯酸甲酯聚合过程,定量计算存在多稳态解区域的稳定解能够承受的扰动范围,这对于设计本质安全化的化工过程具有重要意义。     

CO燃烧状况可调的催化裂化装置多稳态分析

考虑到一氧化碳(CO)助燃剂作为调控系统CO燃烧状况的操作手段会影响催化裂化装置的多稳态,在已有的烧焦罐式高效再生催化裂化装置反应-再生系统动态机理模型的基础上,扩展了再生器内CO燃烧的机理模型,并将CO助燃剂的添加量与再生器内CO的燃烧状态进行定量的关联。在对再生器进行热量衡算的基础上,绘制出再生器的放出-移出热量曲线,确定了系统的3个稳态操作点,并根据放热反应器稳态热稳定性斜率条件分析了稳态点的热稳定性。针对炼厂CO助燃剂添加量设计较为保守的问题,分析了减少助燃剂添加量对系统操作的影响,指出CO助燃剂的添加量会影响到系统两个高温稳态点之间的操作空间从而影响到装置控制系统设计的苛刻度。     

发酵过程中气提的动力学行为探讨

依据歧点和稳定性理论探讨了在全混釜发酵过程中气提移醇的动力学行为，研究了该系统的多重定态现象、以及气提对多重稳态解的影响。通过模拟计算，确立了该系统最优稳态操作区范围，分析了菌体初始浓度和产物初始浓度之间的相互限制作用，以及对最优稳态吸引区的影响。分析结果表明：气提应用于发酵过程，能缓和产物醇对微生物的毒性，扩展系统的操作范围，控制系统移向最优稳态操作。     

TE过程闪蒸罐双时间尺度建模与动态特性分析

闪蒸罐是工业常用的化工单元设备, 在对其进行动态机理建模时, 气相物质的动态特性方程被拟稳态处理转化为稳态代数方程, 而液相仍为微分方程。由此一来, 与气相相关的压力的真实动态信息无法得到, 而是完全依赖于液相相态的变化。基于闪蒸罐的化工动态学机理和“拟稳态”的系统特点, 通过增加快变量的动态物料守恒关系式, 还原系统的气相快暂态过程, 建立了TE过程闪蒸罐的双时间尺度全阶模型。利用奇异摄动方法将全阶模型精确求解后, 与拟稳态模型进行了仿真对比;最后, 设计了全阶模型的压力控制回路, 得到很好的控制效果, 验证了建模方法的合理性和工业应用价值。     

催化裂化装置裕量评价与瓶颈分析

考虑实际过程中存在着各种不确定因素,在化工过程设计时有必要对设计变量留出足够的裕量,使操作点位于过程约束边界内。基于过程稳态最优设计的一阶灵敏度分析,设计变量的局部裕量造成过程有效约束存在边界距离,操作变量进行操作优化所能获得的最大潜在经济效益是由有效约束的边界距离决定的。因此,采用操作优化得到的装置潜在经济效益可以用于对装置总体裕量进行评价。以催化裂化装置为主要研究对象,采用操作优化的方法计算装置的潜在经济效益,以此对装置的总体裕量进行评价。考虑过程的动态变化过程,结合动态优化的方法,利用稳态优化的经济效益和动态优化的经济效益对装置的总体裕量进行划分,分清保证操作控制可实现性的控制裕量和可以提升装置潜在经济效益的工艺裕量。通过分析各设计变量的局部裕量对装置总体裕量的影响确定设计瓶颈的所在,找到消除设计瓶颈的途径。     

气相卧式搅拌釜聚丙烯反应器的模拟及多稳态分析

聚合过程是强放热的非线性过程,这类过程一般存在多稳态现象,且不同的稳态具有不同的局部稳定性.采用气相卧式搅拌釜聚丙烯反应器的Innovene工艺是目前生产聚丙烯最先进的工艺之一.本文开展了该反应器的稳态模拟与多稳态分析研究,对平稳生产、新牌号开发都有着重要的意义.利用Polymer Plus建立了更符合实际且适用于稳定性研究的气相卧式搅拌釜聚丙烯反应器非等温模型,以GPC数据进行聚丙烯反应网络的参数反演.通过灵敏度分析求解系统的多稳态解,通过推理分析的方式判断各个反应区域的稳定性,解决了该问题多稳态研究中的稳定性判断问题,并通过稳定性分析,从本质安全角度出发识别出适于操作的稳态点范围.     

一种基于流程模拟与OPC技术的化工过程实时控制方法

针对化工过程对象具有的非线性系统多稳态特性,通过流程模拟软件HYSYS获得控制对象的大范围稳态操作数据和动态过程数据,提出基于逆径向基函数网络的非线性系统多稳态控制方法。OPC工具的开发实现了控制算法的在线应用,对一个连续聚合反应釜的研究表明了此方法的有效性。     

在Pt／γ—Al2O3上丙烯多相催化氧化的自激振荡

实验研究了 C_3H_6在 Pt/γ-Al_2O_3上氧化的非稳态现象。考察了反应参数变化对体系稳定性的影响。特别注重检测了变参数过程中动力学行为的演变。通过对比催化剂表面的温度振荡和产物中 CO_2的浓度振荡观察到各种复杂的非稳态过程,加深了对产生化学振荡的机理认识。并提出了简化的7步机理模型来解释振荡行为。在这一机理中,通过 Pt 相的氧化还原循环来说明催化剂活性的循环导致了振荡态的出现。     

气相法聚乙烯工艺冷凝态操作模式的稳定性和动态行为

气相法聚乙烯工艺冷凝态操作模式由于显著提高了循环气移热能力和反应器时空产率,已成为流化床乙烯聚合工艺的主流操作模式。建立了气相法聚乙烯工艺冷凝态操作模式的数学模型,包括流化床反应器模型,多级换热器模型和反应温度、压力以及循环气组成的控制模型。基于此,采用流程模拟方法,计算了系统在反应器温度采用闭环控制时的稳态解;根据系统对小扰动的动态响应特点,定性判断了反应器温度采用开环控制和闭环控制时聚合反应系统的稳定性;考察了系统对1-己烯分压和催化剂进料速率的阶跃响应特性。结果表明,反应器温度采用闭环控制时,聚合反应系统在所考察操作条件下均是稳定的,而采用开环控制时,解曲线被分叉点分割为稳定区域和不稳定区域。反应器温度对1-己烯分压阶跃变化的动态响应表明聚合反应系统存在长、短周期两类振荡,表明冷凝态操作模式下乙烯聚合反应过程是一个多控制回路耦合的复杂过程。     

微生物培养的振荡现象及其应用

振荡现象广泛存在于生命系统中。简述了微生物培养过程中的振荡现象,描述了其特征,介绍了振荡行为在发酵培养、废水处理、提高工程菌的稳定性等方面的应用,并指出了其今后的研究方向。     

气相法聚乙烯工艺冷凝态操作模式的稳定性和动态行为

气相法聚乙烯工艺冷凝态操作模式由于显著提高了循环气移热能力和反应器时空产率,已成为流化床乙烯聚合工艺的主流操作模式。建立了气相法聚乙烯工艺冷凝态操作模式的数学模型,包括流化床反应器模型,多级换热器模型和反应温度、压力以及循环气组成的控制模型。基于此,采用流程模拟方法,计算了系统在反应器温度采用闭环控制时的稳态解;根据系统对小扰动的动态响应特点,定性判断了反应器温度采用开环控制和闭环控制时聚合反应系统的稳定性;考察了系统对1-己烯分压和催化剂进料速率的阶跃响应特性。结果表明,反应器温度采用闭环控制时,聚合反应系统在所考察操作条件下均是稳定的,而采用开环控制时,解曲线被分叉点分割为稳定区域和不稳定区域。反应器温度对1-己烯分压阶跃变化的动态响应表明聚合反应系统存在长、短周期两类振荡,表明冷凝态操作模式下乙烯聚合反应过程是一个多控制回路耦合的复杂过程。     

反应精馏过程图解法设计策略研究

从反应精馏过程图解法设计的理论研究出发,探讨了反应空间、转换组成变量以及剩余曲线等应用范围和局限性;通过分析反应精馏操作线方程的变化,提出了图解法设计反应精馏过程的策略;（1）用奇异点判断法结合实验数据可判定应用反应精馏过程的可行性;（2）借助反应空间可判断该过程能否在单塔中得到完全分离;（3）图解法设计的多种设计结果及相应对策。采用实例验证了该策略的可行性。     

基于动态模型的在线反馈优化

针对化工过程动态波动明显、优化模型存在较多的不确定性等特点,提出了一种考虑过程不确定性、基于过程动态模型的在线反馈优化策略。将过程动态模型按一定周期离散化为差分方程,基于差分方程进行动态优化,优化目标函数为优化时域的终端时刻的经济指标,优化变量为过程的操作变量,采用非线性规划作为优化算法;优化结果在实施后根据可测输出进行在线反馈,在优化模型的差分方程中引入误差修正项,将对应时刻的状态变量和相关变量的实际值代入可求出误差修正项,从而实现在线反馈优化。仿真结果表明,与传统的稳态操作优化相比,基于动态模型的反馈优化同样可将过程运行于最优操作点,同时具有很强的实时性,在外界干扰出现时可以立即作出反应,将过程推向最优操作点。     

稳态模拟法求取精馏塔灵敏板的途径

应用化工工艺稳态模拟软件，确定精馏塔的灵敏板，并举例说明求取的过程，对塔的稳定性进行了检验，为精馏塔的可靠性设计和产品质量提供保证。     

基于超熵产生分析的反应精馏系统多稳态研究（Ⅰ）定态稳定性判据模型的建立

为对反应精馏系统中的多稳态现象进行深入分析,提出了利用超熵产生进行定态点稳定性分析和判定的新思路.根据反应精馏质热传递的特征以及熵流熵产分析,建立了该过程的热力学模型;定义系统的二阶变分为超熵,由非平衡热力学定态点的里亚普罗夫稳定性分析理论,取二级超熵δ2S为里亚普罗夫函数,将此函数对时间求导,得到了系统的超熵产生;将系统在扰动情况下的变化转化为超熵产生的变化,根据超熵产生的正负性即可判断系统的稳定性.     

化工单元操作和过程的系统层次结构

阐述了化工单元操作和过程的系统层次结构。化工单元操作是系统的要素,经过组合形成化工过程(工段)——低层系统,若干化工过程(工段)再经组合形成工艺流程——高层系统;构成工艺流程的化工过程之间相互有一定的联系,具有一定的系统层次结构。     

浅谈工艺危害分析在化工设计中的应用

在当前的化工工程方案的实施过程中,工艺危害分析可以有组织的、系统的对化工工程实施中用到的装置或者设备进行危害的识别鉴定,通过这种方式来减少在化工工艺进行中可能出现的事故,减小事故产生的危害,减轻事故后果,工艺危害分析(PHA)在化工设计中很重要。本文主要简要陈述了工艺危害分析在化工设计工程中的设计阶段应用中常用的方法:"定性、半定量法和定量法",并且浅谈定性、半定量法和定量法在化工设计中的应用。     

化学反应器的电路模拟

<正> 化工过程模拟指对某一化工过程的数学模型或相似模型进行研究,它具有安全、重复性好,可进行稳定性及参数敏感性实验等优点,因而在化工技术中得到了广泛的应用。本文提出的用电路模拟反应器,属于相似模型的模拟法。与其它相似模型方法比较,电路模拟更加经济、安全,当需要改变反应器的设计和操作参数时,只需更换几个相应的