過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化

內(nèi)容概要

本書對(duì)工業(yè)上常用的催化裂化裝置類型建立了嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)機(jī)理模型。首先，建立最基本的單提升管、單段密相床再生的催化裂化裝置動(dòng)態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上建立包括兩段式提升管、兩段密相床再生、前置燒焦罐式兩段再生、催化劑循環(huán)系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)及分餾塔底和回?zé)捪到y(tǒng)等單元在內(nèi)的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)模型。然后，在催化裂化裝置動(dòng)態(tài)機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，對(duì)催化裂化裝置的動(dòng)態(tài)特性以及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。最后，運(yùn)用過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究的方法，基于催化裂化裝置動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)其常規(guī)控制結(jié)構(gòu)選擇問(wèn)題進(jìn)行了分析和優(yōu)化求解；從操作和控制的角度，對(duì)其裕量問(wèn)題進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析；在此基礎(chǔ)上，對(duì)其控制與工藝集成優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究。本書內(nèi)容涵蓋化工動(dòng)態(tài)學(xué)、過(guò)程控制、化工系統(tǒng)工程等多個(gè)學(xué)科專業(yè)的知識(shí)，反映了最新進(jìn)展。    本書可供從事過(guò)程控制的科研與工程技術(shù)人員，以及致力于過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化研究的工藝設(shè)計(jì)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

羅雄麟，男，1963年4月生。中國(guó)石油大學(xué)(北京)教授，博士生導(dǎo)師、控制科學(xué)與工程學(xué)科負(fù)責(zé)人、自動(dòng)化系主任。主持和參加國(guó)家和省部級(jí)科研項(xiàng)目20多項(xiàng)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。主編和參編教材或叢書4部，出版專著2部，發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文110多篇。國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)6項(xiàng)。

書籍目錄

叢書序前言第1章  緒論第2章  過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化基礎(chǔ)  2.1  背景  2.2  過(guò)程可控性分析    2.2.1  可控性開環(huán)指示      2.2.2  過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的經(jīng)濟(jì)分析  2.3  常規(guī)控制結(jié)構(gòu)選擇    2.3.1  多回路PID控制器超結(jié)構(gòu)      2.3.2  常規(guī)控制結(jié)構(gòu)選擇問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述  2.4  控制與工藝集成優(yōu)化設(shè)計(jì)    2.4.1  控制和工藝集成優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述    2.4.2  混合整數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法      2.4.3  集成優(yōu)化設(shè)計(jì)與分步序貫設(shè)計(jì)的比較  2.5  合理設(shè)計(jì)裕量的確定第3章  催化裂化裝置基本動(dòng)態(tài)機(jī)理模型  3.1  數(shù)學(xué)模型整體考慮  3.2  提升管反應(yīng)器動(dòng)態(tài)機(jī)理模型    3.2.1  提升管反應(yīng)器動(dòng)態(tài)模型的建立    3.2.2  原料性質(zhì)對(duì)催化裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響      3.2.3  動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的空間離散化處理  3.3  汽提段動(dòng)態(tài)機(jī)理模型  3.4  再生器動(dòng)態(tài)機(jī)理模型    3.4.1  再生反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與流化模型    3.4.2  再生器動(dòng)態(tài)模型  3.5  考慮純滯后的催化裂化裝置動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型    3.5.1  催化裂化裝置中的純滯后時(shí)間    3.5.2  純滯后時(shí)間在催化裂化裝置動(dòng)態(tài)模型中的體現(xiàn)  3.6  催化裂化裝置數(shù)學(xué)模型的求解和線性化    3.6.1  數(shù)學(xué)模型的求解    3.6.2  催化裂化裝置動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的線性化第4章  催化裂化裝置擴(kuò)展動(dòng)態(tài)機(jī)理模型  4.1  兩段式提升管反應(yīng)器動(dòng)態(tài)機(jī)理模型    4.1.1  第一段提升管動(dòng)態(tài)模型    4.1.2  第二段提升管動(dòng)態(tài)模型    4.1.3  兩段式提升管反應(yīng)器汽提段動(dòng)態(tài)模型  4.2  兩段密相床再生器動(dòng)態(tài)機(jī)理模型    4.2.1  第一段再生器動(dòng)態(tài)模型    4.2.2  第二段再生器動(dòng)態(tài)模型  4.3  前置燒焦罐式高效再生器動(dòng)態(tài)機(jī)理模型    4.3.1  燒焦罐動(dòng)態(tài)模型    4.3.2  高效再生器二密相床動(dòng)態(tài)模型  4.4  兩器壓力平衡與催化劑循環(huán)速率的計(jì)算    4.4.1  待生線路壓力平衡    4.4.2  再生線路壓力平衡    4.4.3  催化劑內(nèi)循環(huán)線路壓力平衡  4.5  壓力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)機(jī)理模型    4.5.1  沉降器壓力動(dòng)態(tài)模型    4.5.2  分餾塔壓力動(dòng)態(tài)模型    4.5.3  分餾塔頂油氣分離罐壓力動(dòng)態(tài)模型    4.5.4  再生器壓力動(dòng)態(tài)模型  4.6  分餾塔底和回?zé)捪到y(tǒng)動(dòng)態(tài)機(jī)理模型第5章  催化裂化裝置動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性分析  5.1  催化裂化裝置動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果  5.2  催化裂化裝置動(dòng)態(tài)特性分析    5.2.1  動(dòng)態(tài)特性分析    5.2.2  動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)論  5.3  催化裂化裝置穩(wěn)定性分析    5.3.1  不作任何控制時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性    5.3.2  在控制藏量的條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性    5.3.3  系統(tǒng)穩(wěn)定性分析綜合仿真  5.4  兩段式提升管催化裂化裝置動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性分析    5.4.1  兩段式提升管催化裂化裝置反應(yīng)溫度控制開環(huán)動(dòng)態(tài)模擬    5.4.2  兩段式提升管催化裂化裝置反應(yīng)溫度控制閉環(huán)動(dòng)態(tài)模擬    5.4.3  兩段式提升管催化裂化裝置穩(wěn)定性分析第6章  催化裂化裝置控制結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)  6.1  變量分析  6.2  催化裂化裝置常規(guī)控制結(jié)構(gòu)選擇問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述    6.2.1  催化裂化裝置過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型      6.2.2  多回路數(shù)字PID控制器結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型    6.2.3  目標(biāo)函數(shù)    6.2.4  數(shù)學(xué)描述  6.3  混合整數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法    6.3.1  求解原理    6.3.2  簡(jiǎn)單示例  6.4  催化裂化裝置常規(guī)控制結(jié)構(gòu)選擇問(wèn)題的求解結(jié)果第7章  催化裂化裝置設(shè)計(jì)裕量的動(dòng)態(tài)分析  7.1  穩(wěn)態(tài)裕量和動(dòng)態(tài)裕量  7.2  主風(fēng)裕量的動(dòng)態(tài)分析    7.2.1  主風(fēng)穩(wěn)態(tài)裕量的優(yōu)化計(jì)算    7.2.2  主風(fēng)動(dòng)態(tài)裕量的優(yōu)化計(jì)算    7.2.3  主風(fēng)裕量的實(shí)例分析  7.3  藏量和主風(fēng)裕量的綜合動(dòng)態(tài)分析    7.3.1  藏量和主風(fēng)穩(wěn)態(tài)裕量的優(yōu)化計(jì)算      7.3.2  藏量和主風(fēng)動(dòng)態(tài)裕量的優(yōu)化計(jì)算      7.3.3  藏量和主風(fēng)裕量的實(shí)例分析  7.4  設(shè)計(jì)裕量與控制性能的關(guān)系第8章  催化裂化裝置控制與工藝集成優(yōu)化設(shè)計(jì)  8.1  控制與工藝集成設(shè)計(jì)概述  8.2  催化裂化裝置集成優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述    8.2.1  過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型    8.2.2  控制器結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型    8.2.3  過(guò)程不確定性數(shù)學(xué)模型    8.2.4  過(guò)程約束    8.2.5  目標(biāo)函數(shù)    8.2.6  數(shù)學(xué)描述  8.3  催化裂化裝置集成優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的求解方法    8.3.1  多目標(biāo)優(yōu)化    8.3.2  混合整數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化    8.3.3  權(quán)衡  8.4  集成優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果第9章  展望附錄  催化裂化裝置反應(yīng)—再生系統(tǒng)工藝計(jì)算  再生器燃燒計(jì)算  再生器熱平衡計(jì)算  反應(yīng)器熱平衡計(jì)算  再生器燒焦計(jì)算參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章 緒論化工過(guò)程應(yīng)該設(shè)計(jì)為能夠在滿足所有工藝要求和操作約束的條件下達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的一個(gè)系統(tǒng)，因此，希望設(shè)計(jì)能在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)操作。然而，由于實(shí)際過(guò)程中存在著干擾等不確定因素，在工藝條件變化或存在干擾時(shí)，實(shí)際過(guò)程在操作運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)變化，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)程操作偏離穩(wěn)態(tài)最優(yōu)，甚至無(wú)法操作。對(duì)此，人們提出在進(jìn)行過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)，工藝設(shè)計(jì)的確定應(yīng)當(dāng)與過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究。通過(guò)對(duì)過(guò)程控制與工藝的集成設(shè)計(jì)，達(dá)到過(guò)程設(shè)計(jì)同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)性能和控制性能，在降低設(shè)備費(fèi)用和實(shí)現(xiàn)良好的過(guò)程操作之間取得和諧的平衡，其意義是非常明顯的。人們很早就意識(shí)到進(jìn)行過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究的優(yōu)勢(shì)，在早期的化工系統(tǒng)工程研究中對(duì)此方面的問(wèn)題已經(jīng)有了初步的數(shù)學(xué)描述。但由于過(guò)程控制與工藝集成設(shè)計(jì)需要求解規(guī)模很大的混合整數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，而過(guò)程本身的復(fù)雜性導(dǎo)致其求解十分困難，在計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度沒有獲得明顯提高以前，對(duì)其求解基本沒有可能。20世紀(jì)90年代中期以后，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的極大提高，優(yōu)化算法也獲得進(jìn)一步改善，過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究，特別是過(guò)程控制與工藝集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，在國(guó)外得到較大發(fā)展。Pistikopoulos、Perkins、Mohideen、BansalKookos、Sakizlis、Schweiger、Floudas等學(xué)者在這方面的研究取得了很多進(jìn)展，特別是英國(guó)帝國(guó)大學(xué)對(duì)控制和工藝集成優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題給出了統(tǒng)一的求解框架和求解方案，提出了有效的動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法，開發(fā)了相關(guān)的流程模擬和動(dòng)態(tài)優(yōu)化軟件，并在精餾塔的工藝設(shè)計(jì)上進(jìn)行了應(yīng)用，降低了過(guò)程的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用，同時(shí)改善了系統(tǒng)的控制性能，使過(guò)程操作逼近了穩(wěn)態(tài)最優(yōu)點(diǎn)，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)近十幾年來(lái)的發(fā)展，國(guó)外過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究已經(jīng)具備了一定的理論基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中也初步顯示了優(yōu)勢(shì)，但在國(guó)內(nèi)研究方面尚存在相當(dāng)大的空白。主要原因是過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究需要控制、化工、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科多專業(yè)的知識(shí)，而國(guó)內(nèi)控制學(xué)科和化工學(xué)科分別設(shè)置，對(duì)于主要從事過(guò)程控制的科研人員來(lái)說(shuō)，由于對(duì)煉油、化工過(guò)程了解不夠，無(wú)法進(jìn)行此方面的研究；對(duì)于從事工藝設(shè)計(jì)的科研人員來(lái)說(shuō)，由于對(duì)過(guò)程控制也了解不夠，對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)對(duì)工藝設(shè)計(jì)的影響不夠重視，對(duì)化工系統(tǒng)工程方面的研究更側(cè)重于研究過(guò)程穩(wěn)態(tài)特性，包括過(guò)程靈敏度分析、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)裕量的確定等。

編輯推薦

《過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化:催化裂化裝置動(dòng)態(tài)機(jī)理建模與控制分析設(shè)計(jì)》由科學(xué)出版社出版。

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