非均相共沸精馏系统的建模与优化关键技术研究

非均相共沸精馏塔在石油化工领域的应用越来越多。本课题针对非均相共沸精馏系统液液相分裂的判断及存在多稳态的过程系统建模与优化等关键问题进行研究，力争建立一种非均相共沸精馏过程建模与优化方法。首先，深入研究相分裂的判断方法，提出在GL方法的基础上采用进化算法进行相分裂的判断。通过精馏（剩余）曲线分析共沸精馏系统可行的精馏方案、存在多稳态的可能性以及如何在操作中避免多稳态的出现。然后，对进化算法深入分析，改进并完善基于Alopex的进化优化算法。该算法既具有随机性，能够跳出局部最优值，又具有启发性，能够从前次自变量的变化对目标函数产生的影响中受到启发，使算法尽量向最优解方向搜索，最终收敛到全局最优。最后，从工业过程生产或实验室装置得到的数据中提取各种特征信息，有机地融合到非均相共沸精馏模型中，建立符合生产特性和机理规律的模型，并在此模型的基础上进行参数优化，应用到实际生产。

非均相共沸精馏技术在工业上对分离共沸混合物或相对挥发度接近于1的混合物被广泛应用。一般情况下有机物与水的分离，特别是与水的沸点相近或与水可形成共沸物时，常采用加入一个新的与水能形成低沸点的共沸剂，采用非均相共沸精馏的方法进行分离。由于系统中存在复杂的汽液液平衡关系，非均相共沸精馏较普通精馏要复杂的多。目前，大多研究者在进行非均相共沸精馏过程建模研究仍处于盲目凑试阶段。本课题以醋酸脱水共沸精馏为对象，利用流程模拟软件Aspen Plus和Dynamic对非均相共沸精馏过程中的模拟计算、多稳态分析、过程优化与控制等关键问题进行了研究。主要研究内容包括：（1）对醋酸脱水系统进灵敏性分析，研究系统的多稳态现象。针对模拟过程中计算不容易收敛到所需稳态的问题，提出了一种非均相共沸精馏过程模拟方法，可使模拟快速收敛。（2）在稳态模型基础上通过相图分析和模拟研究不同进料情况下对水相回流的需要，提出了一种水相回流的专家控制方法。（3）研究非均相体系中杂质对系统能耗的影响，特别是PX和MA对醋酸脱水过程能耗的影响，提出相应的解决方案。(4)共沸精馏与萃取结合进行稀醋酸回收，特别在系统中引入正丁醇提高萃取过程的效率，正丁醇和醋酸正丁酯同时作为共沸剂和萃取剂。（5）醋酸与正丁醇反应精馏过程研究，研究反应精馏与共沸精馏共同存在下的精馏过程。（6）针对复杂体系优化问题，进行一种基于Alopex进化优化算法（AEA）的开发及完善。针对AEA算法中的搜索步长、退火温度的自适应实现等问题进行优化。并研究了将分布估计法、和声搜索法、文化算法和克隆选择方法用于AEA算法的对比种群的生成，提高算法的收敛速度及精度，通过测试函数和实际过程优化改进的算法都取得较好的优化效果。（7）基于AEA算法提出了一种新的自适应惩罚函数法处理约束问题。该方法充分利用函数各约束条件被违反次数统计量来判定约束强弱，动态自适应地调整各个约束的惩罚系数，同时考虑到目标函数与惩罚项之间的关系，对目标函数做出了相适应修改，使得两者间的关系更加趋于平衡，避免了惩罚力度过大或过小。（8）醋酸脱水共沸精馏系统工艺包的开发，为重庆鹏威石化、绍兴远东石化和连云港虹港石化PTA装置的醋酸脱水塔进行了核算。通过本课题的研发，共发表了期刊论文14篇，会议论文2篇。申请公开5项国家发明专利（其中授权1项），计算机软件著作权3项，培养了11名硕士研究生。