指導教授：錢義隆臺灣大學：化學工程學研究所吳義章Wu, Yi-ChangYi-ChangWu2014-11-252018-06-282014-11-252018-06-282014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/261233本論文探討各類非均勻相共沸蒸餾系統及隔牆塔製程之設計與控制。第一部分探討工業級分離程序甲基丙烯酸甲酯(MMA, Methyl Methacrylate)為重點，進料包含三個成分甲基丙烯酸甲酯、甲醇及水，本論文提出此分離程序的改良簡化設計，設計流程可簡化成雙塔設計包含一個非均勻相共沸蒸餾塔、一個分相槽及一個汽提塔，此雙塔設計可更進一步探討將其簡化為單塔設計包含一個非均勻相共沸蒸餾塔、一股側流及一分相槽。本研究同時也進一步探討了系統在進料動態擾動下之控制效果。研究中提出一個雙點溫度控制環路，可以有效穩定住產量增減以及進料組成變化之擾動。 第二部分以Pyridine除水分離以甲苯為共沸劑系統，及1,4-Dioxane除水分離系統含不純物三乙胺(Triethylamine,TEA)為例，探討非均勻相共沸蒸餾製程，以隔牆塔設計節能的潛力。經由最適化比較穩態設計與傳統設計，可以知道經由隔牆塔節能設計後，不僅可以顯著的降低總能耗，此外，非均勻相共沸蒸餾塔的隔牆塔設計，仍然保有兩個重要的再沸器熱負載操作變數，故此沒有阻礙到動態干擾排除的表現。 最後部分為探討非均勻相共沸蒸餾之分相槽配置的動態分析，兩種配置主要的不同在於非均勻相共沸蒸餾塔塔頂汽相流，設計一的塔頂汽相直接進入分相槽進行液液分相；設計二塔頂汽相流則進入回流槽，塔頂餾出物再進入分相槽中。本論文，我們將針對此兩設計探討動態控制策略，設計一以雙點溫度控制策略，可以有效的排除大範圍的進料組成干擾。The design and control of three dehydration process systems via heterogeneous azeotropic distillation and dividing-wall column design will be investigated in this thesis. In the first part, the azeotropic distillation system to separate out methyl methacrylate (MMA) from a mixture including methyl methacrylate, methanol, and water is studied. In this work, a simple design flowsheet is devised with a distillation column, a bottom decanter, and a stripper. This column/decanter/stripper design can further be simplified into an even simpler design flowsheet with only one distillation column with sidedraw and a middle decanter. Optimal design and dynamic control of this simplified separation process are investigated in this report. It is shown that the product purity specifications can be maintained despite feed disturbances by holding a tray temperature above the sidedraw location and another one below the sidedraw location. In the second part, energy-saving potential of heterogeneous azeotropic dividing-wall columns are investigated via a demonstrating example for the separation of pyridine and water using toluene as entrainer and another example of 1,4-dioxane dehydration process with small amounts of triethylamine (TEA) impurity. By comparing the optimized design of this dividing-wall column with the original design, significant reduction in the reboiler duty can be obtained. Furthermore, because two important control degree-of-freedoms are still preserved in the dividing-wall column, no hampering of the control performance can be observed. In the last part, we discuss the dynamics and control of heterogeneous azeotropic distillation column with two different decanter configurations. The main difference of these two configurations is the layout after condensing top vapor stream. For the first design, top vapor stream will go directly into a decanter. For the second design, top vapor stream will go into reflux drum and then the distillate stream goes into a decanter. In the thesis, we will investigate the proper overall control strategy for these two configurations. Overall control strategy of the first design is proposed with dual-temperature control loops. Large perturbations of the feed composition can be handled.目 錄 誌謝 I 摘要 II 目錄 V 圖目錄 X 表目錄 XIII 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 共沸物之定義及種類 4 1.3 共沸蒸餾製程形式 6 1.4 文獻回顧 12 1.4.1 多重穩態解與參數敏感性 12 1.4.2 動態表現與控制 13 1.5 研究動機 15 1.6 章節組織 15 2 熱力學模式 16 2.1 引言 16 2.2 熱力學模式 17 2.2.1 多重穩態解與參數敏感性 17 2.2.2液相熱力學修正模式 17 2.3 模式建立與參數 19 2.3.1甲基丙烯酸甲酯分離製程 19 2.3.2 Pyridine除水分離製程 22 2.3.3 Dioxane除水分離製程 25 2.3.4醋酸除水分離製程 28 2.4 蒸餘曲線(RCM) 31 2.5 質量平衡線 37 3 甲基丙烯酸甲酯分離系統的設計與控制 40 3.1 前言 40 3.2甲基丙烯酸甲酯分離製程之設計與最適化搜尋 40 3.2.1引言 40 3.2.2工業級三塔設計 42 3.2.3雙塔設計 45 3.2.4雙塔設計之最適化搜尋 46 3.2.5單塔設計 50 3.2.6單塔設計之最適化搜尋 51 3.2.7最適化穩態結果與比較 57 3.3動態控制 59 3.3.1引言 59 3.3.2儲量控制 60 3.3.3決定溫度控制板 62 3.3.4單點溫度控制干擾排除 63 3.3.5雙點溫度控制干擾排除 65 4 Pyridine分離系統的設計與控制 70 4.1前言 70 4.2非均勻相共沸蒸餾之節能設計 71 4.2.1非均勻相共沸蒸餾-傳統設計 71 4.2.2汽提塔節能設計 74 4.2.3隔牆塔節能設計 76 4.2.4結果與比較 83 4.3動態控制 84 4.3.1引言 84 4.3.2傳統設計之整廠控制策略 85 4.3.3傳統設計之閉還敏感度分析 87 4.3.4傳統設計之干擾排除測試 88 4.3.5隔牆塔節能設計之儲量控制 91 4.3.6隔牆塔節能設計之溫度控制塔板分析 93 4.3.7隔牆塔節能設計之閉環敏感度分析 95 4.3.8隔牆塔節能設計之干擾排除測試 96 5 Dioxane分離系統的設計與控制 100 5.1前言 100 5.2壓敏蒸餾製程之設計與最適化搜尋 100 5.2.1引言 100 5.2.2壓敏蒸餾設計 101 5.2.3壓敏蒸餾設計最適化與經濟評估 105 5.2.4壓敏蒸餾製程以多效蒸餾熱整合 108 5.3非均勻相共沸蒸餾製程之設計與最適化搜尋 111 5.3.1非均勻相共沸蒸餾-傳統設計 111 5.3.2傳統設計之最適化與經濟評估 113 5.3.3汽提塔節能設計 115 5.3.4熱偶合節能設計 116 5.3.5隔牆塔節能設計 120 5.3.6穩態設計結果與比較 124 5.4動態控制 129 5.4.1引言 129 5.4.2傳統設計之儲量控制 130 5.4.3傳統設計之溫度控制塔板分析 131 5.4.4傳統設計之干擾排除測試 133 5.4.5隔牆塔節能設計之儲量控制 136 5.4.6隔牆塔節能設計之溫度控制塔板分析 138 6 非均勻相共沸蒸餾之分相槽配置動態分析 144 6.1前言 144 6.2塔頂式分相槽配置之穩態設計 145 6.2.1非均勻相共沸蒸餾-傳統設計 145 6.2.2塔頂式分相槽之最適化與經濟評估 146 6.2.3結果與比較 151 6.3塔頂式分相槽配置設計一之動態行為分析 154 6.3.1引言 154 6.3.2設計一之儲量控制 155 6.3.3設計一之開環敏感度分析 157 6.3.4設計一之閉環敏感度分析 159 6.3.5設計一單點溫度控制策略之干擾排除測試 161 6.3.6非方形相對增益 163 6.3.7 RGA配對分析 165 6.3.8設計一之干擾排除 167 6.4塔頂式分相槽配置設計二之動態行為分析 170 6.4.1設計二之儲量控制 170 6.4.2設計二之開環敏感度分析 172 6.4.3設計二之閉環敏感度分析 174 6.4.4非方形相對增益 180 6.4.5 RGA配對分析 181 6.4.6設計二之干擾排除 183 7 結論 185 附錄A計算TAC使用之公式 187 附錄B計算TAC使用之公式 191 參考文獻 192 論文著作 1986970061 bytesapplication/pdf論文公開時間：2017/07/09論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋學校)非均勻相共沸蒸餾隔牆蒸餾甲基丙烯酸甲酯吡啶1,4-二噁烷thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/261233/1/ntu-103-D98524013-1.pdf