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基于统计学和解耦算法的丙酮—丁醇蒸馏系统优化研究

王洪海

  发酵法丙酮-乙醇-丁醇溶剂生产是丙酮和生物丁醇(丙丁)的主要生产方式之一,其过程中的蒸馏系统工艺复杂,能耗高,改造和优化困难,所以一直沿用老的四塔流程或五塔流程。 本文对发酵法丙酮-丁醇生产的四塔流程蒸馏系统进行了深入研究。针对该系统工艺复杂、参数多、流股之间耦合严重、计算难收敛的特点,利用解耦算法对其进行解耦,将整个蒸馏系统划分为醪塔子系统、丁塔子系统和乙丙子系统三部分,建立了算法的数学模型。通过分析发酵醪液中主要成分及其相互间作用特性,利用PRO/Ⅱ流程模拟软件,对该系统进行了模拟计算,并以某工厂实际生产数据为计算基础,对计算模型进行了修正。 在此基础上,通过详细分析模拟计算结果,提出了该蒸馏系统中存在的不足。以节能减排为最终目标,提出了新工艺。新工艺主要包括侧采工艺、热泵回收工艺、塔顶回流工艺、热量综合利用工艺及丁醇分离器的重新设计等。以醪塔为研究对象,对所建立的新工艺进行了实验研究。实验数据和模拟数据吻合良好,证明了新工艺的可行性。 为了对所提出的新工艺进行全面优化,引入统计学方法——响应面优化法(RSM),以塔顶含水量或塔釜残余溶剂含量最小为响应值,对蒸馏系统中的醪塔、1#丁醇塔和丙酮塔的多个操作参数进行了综合优化,建立了影响因素与优化目标之间的数学模型,得到了最优的参数组合。对所得到的最优参数组合,重新利用PRO/Ⅱ流程模拟软件进行模拟计算,得到综合优化后的最优值。结果表明,所建立的数学模型是正确的,综合优化后的计算结果较单参数优化后的结果更优。 为了考察RSM优化结果的可靠性,以1#丁醇塔和丙酮塔为研究对象,对综合优化结果进行了实验研究。实验结果与RSM优化结果一致,验证了RSM用于精馏塔多参数综合优化的可靠性。 将优化后的新工艺在某工厂的节能项目改造中进行了实际应用,生产运行数据与优化计算数据吻合良好,节能减排效果明显。与原工艺相比,节能达到40%,降低排放达到75%以上,证明了新工艺的先进性和可靠性。该论文的研究对复杂蒸馏系统的综合优化提供了理论支持。……   
[关键词]:蒸馏系统;解耦算法;模拟优化;操作参数;响应面
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:河北工业大学2010年