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作为工业中应用最广泛的分离技术,精馏能耗约占化学和炼油工业过程的40～60%,且存在设备投资大、热力学效率低等问题。随着世界能源日益短缺,开发新型精馏技术以实现过程的进一步集成或强化,将对降低能量消耗、提高分离效果起到积极的推动作用。热泵辅助反应分隔壁精馏塔（heat pump assisted reactive dividing wall column,HP-RDWC）是一种高度集成的精馏强化构型,具有抑制分离返混、提高反应转化率及降低过程能耗等优点,受到国内外学者的广泛关注。然而,关于HP-RDWC构型的研究大多集中在概念设计层面,对其在不同体系中的实施方法与系统能量整合机制的讨论尚不明确。同时,针对HP-RDWC构型中反应-分离耦合过程的动态特性规律认识不足,仍缺少有效的控制结构设计方法与调节策略。基于此,本文采用理论分析与过程模拟相结合的方法,对HP-RDWC强化构型的设计、优化和控制进行了多方面讨论和系统性研究,具体内容如下:选取乙酸和甲醇酯化反应制备乙酸甲酯过程为研究对象,将自热回收（self-heat recuperation,SHR）技术应用于HP-RDWC构型,并对复杂构型的设计、换热网络优化和多变量系统控制进行详细讨论和分析。基于相平衡数据和反应动力学数据设计了常规反应分隔壁精馏塔（reactive dividing wall column,RDWC）,并采用序贯迭代方法获取RDWC的最佳设计参数。利用温-焓图和总组合曲线图指导自热回收反应分隔壁精馏构型的合成,并设计三种集成工艺,即SHR-RDWC-I、SHR-RDWC-II和SHR-RDWC-III。研究表明SHR-RDWC-III具有较好的经济和环境效益,相比于常规RDWC构型,SHR-RDWC-III的总能耗、年总费用和二氧化碳排放量分别减少58.1%、17.8%和87.9%,同时热力学效率由22.4%提升至31.4%。以稳态流程SHR-RDWC-III为动态控制对象,通过计算可控性指标,考察了控制回路之间的影响,得到变量之间最佳匹配关系。在此基础上,建立了基础控制结构,并利用动态响应曲线改进控制系统。结果表明,所设计的串级控制方案可有效抵抗进料干扰,确保SHR-RDWC-III复杂工艺连续稳定运行。选取乙酸和混合C4反应制备乙酸仲丁酯过程为考察对象,从单元层面研究不同循环形式热泵与RDWC集成的可行性与先进性,并提出了4种强化构型,包括常规RDWC精馏塔、塔顶蒸汽再压缩式构型VRC-RDWC、塔釜液体闪蒸式构型BF-RDWC和外部工质闭式构型EHP-RDWC。以年总费用、二氧化碳排放量和条件数作为目标函数,利用多目标遗传算法（multi-objective genetic algorithm,MOGA）对比不同构型的经济效益、环境效益和系统鲁棒性。稳态优化结果表明,相比于采用传统反应器和精馏塔制备乙酸仲丁酯工艺流程,所提出的RDWC、VRC-RDWC、BF-RDWC和EHP-RDWC生产配置在年总费用方面可分别降低54.1%、63.4%、62.7%和56.8%,二氧化碳排放量分别减少48.2%、65.6%、60.9%和54.1%。将优选的VRC-RDWC构型作为动态控制研究对象,通过计算相对增益矩阵和Niederlinski准数,初步确定控制回路匹配关系。在动态模拟平台建立了5种PID控制方案,并利用接口工具连接Aspen Plus Dynamics与Matlab/Simulink,开发了模型预测控制（model predictive control,MPC）方案。对比结果表明,最佳PID控制方案在维持系统稳定性方面表现较好;MPC控制方案在保障产品流量和稳态误差方面更优。选取制备乙酸仲丁酯的全流程工艺作为考察对象,从系统层面研究HP-RDWC对整厂过程设计、能量优化与生产调控的影响与解决方案。为了得到纯度较高的目标产品,采用共沸精馏手段分离乙酸和乙酸仲丁酯混合物,构建产品精制单元的稳态模拟流程。利用MOGA优化方法获取Pareto前沿解集,确定共沸分离过程的最佳操作参数;同时采用夹点分析方法对全流程进行能量分析,从系统综合角度出发指导换热网络的合成。将全流程工艺导入到动态模拟平台,基于过程实时数据,在UCINET软件中构建有向网络关联模型,计算系统中心特性值。利用逼近理想解排序法（technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS）对网络节点进行综合评估,获取不同变量的重要性指数,将结果作为开发全厂控制方案的指导依据。根据复杂网络分析结果设计了3种控制方案,包括PID和MPC控制策略,并采用绝对误差积分（integral absolute error,IAE）作为系统动态性能的评价指标。结果表明,两种控制策略在面对复杂扰动时都表现出较好的可控性和鲁棒性。综上所述,本论文从流程模拟、工艺优化和系统控制等方面对热泵辅助反应分隔壁精馏塔进行了综合分析与讨论,探究了该强化构型在经济、环境和能效方面的优势,并提出多种有效的控制方案制定策略。本文的研究内容为化工分离过程的节能设计提供了新思路,同时也为其他强化构型的开发提供了参考和依据。