Research on Optimization and Control Strategies of Biodiesel Transesterification Process

近年来，生物柴油的开发和利用成为世界各国研究的热点。生物柴油是以动植物油以及废弃油脂等为原料制成的、可以直接替代石化柴油使用的最具发展潜力的生物质液体燃料。目前，世界各国广泛采用化学酯交换法生产生物柴油，酯交换反应过程是生物柴油生产过程的核心单元，过程本身具有非线性、时变性和不确定性等特点，一般很难对其进行优化和控制。因此，建立和发展与过程特点相适应的优化技术和控制策略成为必然，有助于提高生物柴油过程的整体生产水平和效率。本文在跟踪最新国内外研究成果的基础上，对典型生产工艺下酯交换反应过程的优化与控制等关键问题进行了深入研究，为实现复杂化工流程的最优操作和最优控制提供了新的技术和解决方案。主要内容和创新性成果如下：(1) 酯交换反应过程机理建模及动态特性分析分析了酯交换反应过程机理和动力学，联合酯交换反应过程中的物料平衡、能量平衡和动力学方程，建立了酯交换反应过程的动态机理数学模型。参考实际过程操作数据和工艺参数，对模型进行了动态仿真和特性分析，研究了每个状态变量在过渡过程的动态响应，同时，对主要操作参数进行了灵敏度分析，验证了所建模型的准确性，为后续不同生产工艺下生物柴油酯交换反应过程优化与控制策略的研究提供可靠的仿真模型。(2) 面向间歇工艺的生物柴油酯交换反应过程的动态优化为满足生物柴油小批量、多品种、多规格的市场需求，生物柴油生产通常采用间歇工艺。针对间歇工艺生物柴油生产过程具有的时变、强非线性和无稳态工作点等问题，提出基于最大值原理的动态优化策略。建立了以固定反应时间内生物柴油产品浓度最大化为目标、以非线性微分方程组和控制变量有界为约束条件的最优控制模型，得到了最优控制问题的伴随方程和目标函数的梯度，详细推导了状态变量和伴随变量对控制变量的全微分解析形式，并结合问题特点设计了基于有约束控制的梯度算法进行求解，给出了具体的实施步骤。仿真结果表明，所提出的优化方法提高了产品浓度和生产效率，验证了方法的有效性。(3) 连续生物柴油酯交换反应过程的双层结构预测控制为提高能源综合利用和降低生产成本，现代工业规模化生产常常采用连续工艺。针对连续工艺生物柴油生产过程具有的非线性、多变量、强干扰和存在约束条件等问题，提出了双层结构预测控制策略。上层的稳态优化主要解决局部过程的线性经济优化以及对上层实时优化结果的目标跟踪问题。下层的控制器采用动态矩阵控制算法，对上层的稳态目标计算所得的最优设定值进行快速跟踪及克服过程扰动，实现设定点偏差的调节。两层在同一采样频率内执行，同步实现酯交换过程的稳态优化与动态控制。在双层结构预测控制方案实施前，基于相对增益理论，对控制系统进行了稳态模型增益的定量计算，对控制结构进行了合理设计，用来指导多回路PID控制。仿真分析表明，所提出的双层结构预测控制比多回路PID控制有更优良的性能，体现在控制输出有更少的超调，更小的振荡和更快的响应时间，同时能较好地抑制干扰的影响。(4) 基于实验装置的超临界生物柴油酯交换过程的响应面优化为实现连续化生产和改善操作条件，在超临界工艺连续制备生物柴油酯交换反应的实验装置基础上，提出了以金属氧化物TiO2为催化剂强化文冠果油制备生物柴油的响应面优化方法。通过单因素实验考察了反应温度、反应压力、醇油体积比对生物柴油收率的影响，得到了可进一步进行优化操作条件的范围。在此基础上，通过响应面优化法中的CCRD实验设计和Design Expert 7.0软件分析，建立了各因素与目标值的二次多项式回归模型，通过方差及响应曲面分析了各因素之间的交互影响。最后，根据模型以及验证实验，确定了该工艺下生物柴油收率的最佳工艺条件。(5) 生物柴油酯交换反应过程优化与控制软件设计设计并开发了生物柴油酯交换反应过程的优化与控制软件。软件具有过程建模、系统响应分析、基础控制、多变量预测控制、双层结构优化控制等功能，可以实现过程模型分析、优化与控制算法等的数字仿真，为过程的工艺改造、先进控制方案的设计及应用、系统的实时优化提供技术支持和理论指导