在化工生产过程中,为实现精细的分离任务,往往需要多种不同类型的单元设备的协同配合,且随着设备的运行,部分设备的结构和性能会发生改变并直接影响到整个系统关键产品的分离及能量的高效利用,成为制约系统节能减排的瓶颈。以化工过程的分离装置为例,核心操作单元精馏塔随着设备的长期运行,塔内结垢或者进料组成及流量等发生改变,可能会导致精馏塔内部塔板的传热/传质异常,塔板利用率下降。对精馏塔而言,进料位置对传热/传质分布具有重要影响。为了减小进料位置不合适对传热/传质的影响,本文提出通过识别出引起塔内部传热/传质异常的进料位置并实现进料位置调整的流程重构操作,并且相比装置内部塔板结构的改造措施,本方法更加简单且易于操作。综上所述,本文围绕进料位置的不合适引起的塔内部传热/传质异常的问题展开,研究精馏塔系统的进料瓶颈的识别方法,探讨去除进料瓶颈的进料位置调整的流程重构策略,并设计出重构后系统的再优化及关键过程设备的控制策略。(1)考虑到应用实际装置开展相关课题研究较为困难,在对脱甲烷塔装置内部各部分模型的特点及难点分析的基础上,本文实现了对整个脱甲烷塔装置平台的建模并对其进行仿真验证。针对精馏塔内部传热/传质的规律,本文提出了一种精馏塔内部的传热/传质组合曲线的构建方法,以图示法来呈现精馏塔内部异常的传热/传质的瓶颈,并将其与进料位置进行关联,给出进料瓶颈的识别方法。以乙烯裂解过程中的关键过程多进料脱甲烷塔为例,采用上述方法对其进行了进料瓶颈分析,探索系统的进料瓶颈。根据调整瓶颈进料位置后塔内部的传热/传质分布的变化,给出了脱甲烷塔装置的调整进料位置的流程重构方法。脱甲烷塔装置的仿真对比验证了装置平台模型的准确性。通过对脱甲烷塔装置的进料瓶颈的识别及进料位置的流程重构方法的应用,无论是对产品质量的改变,还是对处理量的调整,所提方法均能有效降低多进料脱甲烷塔系统的能耗。(2)针对流程重构后的多进料脱甲烷塔装置的操作条件的设置问题,新旧操作条件之间可能存在差异,并且新系统操作条件并非最优操作条件而导致系统能量的损耗过大,因而流程重构后需要对设备重新进行操作条件再优化。本文提出了脱甲烷塔装置的核心流程的单塔优化和考虑进料条件的复合塔优化的具体实施方法。分别从单塔优化和复合塔优化的角度出发,采用单变量分析法寻找关系系统能耗的操作变量,根据系统的能量利用指标分别选择脱甲烷塔的冷量消耗及甲烷压缩机功率作为单塔与复合塔优化的目标函数,采用正交试验的方法寻找系统的最优操作变量。通过两种方案的对比,复合塔优化所带来的系统的节能效率要比单塔优化高,因而对系统进行操作优化应该将复合塔系统作为研究对象进行研究。(3)多进料脱甲烷塔是整个装置中的核心操作单元,其控制策略对于产品的分离和能耗具有重要的影响,本文引入了过程控制与协同优化相结合的策略来实现系统能量的合理利用。同时,针对流程重构中的进料位置切换的问题,又讨论了进料位置切换与控制指标切换的控制问题。以双入双出系统为例,探讨了主被控变量通过控制器实现目标指标控制,并且次要变量采取优化的方法,得到在系统能耗最低条件下的最优的控制策略。结果表明,通过对脱甲烷塔的塔顶指标的控制及塔底控制条件的协同优化,能够有效降低原始操作系统的能耗。另外,通过对进料位置切换进行动态分析,并且在常规的控制策略下分析塔顶塔底的控制效果,提出了塔顶控制指标与进料位置切换的分步与同步控制,并对控制效果及系统的能耗进行了对比分析。仿真结果表明,常规的控制策略在进料位置切换过程的调整中能够实现对各指标的控制。若要同时实现塔顶指标和进料位置的调整控制,同步切换的策略取得的控制效果更好。