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| 編輯推薦： |
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《膜分离过程的优化与控制方法研究》可供从事生产过程自动化、材料与化工、计算机应用、电子与通信等领域的工程技术人员、科研人员及企业管理人员阅读，也可作为高等院校工业自动化、化学工程、电子通信、计算机应用等专业的本科生及研究生的参考书。
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| 內容簡介： |
《膜分离过程的优化与控制方法研究》系统介绍了膜分离过程的优化与控制方法，是作者多年从事绿色过程优化与计算机控制系统等交叉学科研究成果的结晶。
《膜分离过程的优化与控制方法研究》共9章，包括绪论，气体膜分离过程两段流程的控制，气体膜分离过程中性能指标的软测量技术研究，气体膜分离过程单级流程性能参数预测研究，气体膜分离过程两级流程性能参数预测研究，气体膜分离过程多级流程性能参数在线预测研究，气体膜分离物料平衡过程的控制与优化，液体膜分离浓缩过程的控制，膜分离过程全集成优化控制系统设计等。每章内容都有相应的膜分离技术的创新应用背景。
《膜分离过程的优化与控制方法研究》各部分内容既相互联系又相互独立，读者可根据自己的需要选择学习。
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| 目錄：
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目录
前言
1绪论1
1.1膜分离技术的发展和理想膜分离过程目标1
1.1.1膜分离技术的发展及应用瓶颈1
1.1.2膜分离过程控制的复杂性4
1.1.3膜分离过程控制技术的现状及存在的问题5
1.1.4理想膜分离过程的概念6
1.2过程控制技术的研究现状6
1.2.1控制理论与过程控制的发展6
1.2.2过程控制系统的发展7
1.2.3面向过程的集成优化控制技术9
1.3本书的意义10
2气体膜分离过程两段流程的控制11
2.1气体膜分离机理分析12
2.1.1气体膜分离原理12
2.1.2气体膜分离过程的数学模型13
2.1.3气体膜分离过程的影响因素15
2.2炼厂气氢回收装置的控制17
2.2.1两段工艺流程18
2.2.2基本控制回路19
2.3PID参数整定21
2.3.1PID参数整定原则21
2.3.2PID参数整定方法22
2.3.3原料气入膜温度的模糊自整定PID控制22
2.4现场应用结果24
2.4.1控制系统稳定性25
2.4.2基于机理模型模拟的操作优化26
2.5本章小结27
3气体膜分离过程中性能指标的软测量技术研究28
3.1神经网络软测量技术28
3.1.1软测量技术29
3.1.2神经网络软测量技术29
3.2RBF神经网络建模30
3.2.1主导变量和辅助变量的选择30
3.2.2数据采集和处理30
3.2.3RBF神经网络的建模31
3.3仿真实验32
3.3.1炼厂气氢回收装置的工艺流程32
3.3.2样本的选择33
3.3.3RBF神经网络模型的训练与校验33
3.4结果与讨论36
3.5软测量模型的在线校正36
3.6本章小结37
4气体膜分离过程单级流程性能参数预测研究38
4.1引言38
4.2炼厂气氢回收膜分离过程单级流程38
4.3过程建模变量确定39
4.4数据采集处理和主元分析39
4.5RBFNN智能建模与过程性能参数预测41
4.5.1RBFNN智能建模41
4.5.2过程性能参数预测43
4.6LSSVM智能建模与过程性能参数预测45
4.6.1LSSVM智能建模45
4.6.2过程性能参数预测48
4.7本章小结49
5气体膜分离过程两级流程性能参数预测研究51
5.1引言51
5.2基于PCA-LSSVM的气体膜分离过程性能参数预测51
5.2.1炼厂气氢回收过程两级流程51
5.2.2过程建模变量确定52
5.2.3数据采集处理与主元分析52
5.2.4LSSVM智能建模53
5.2.5过程性能参数预测54
5.3基于PSO-BPNN的气体膜分离过程性能参数预测56
5.3.1天然气脱CO2过程两级流程56
5.3.2过程变量确定与数据采集处理57
5.3.3BPNN智能建模与过程性能参数预测58
5.3.4PSO-BPNN建模与过程性能参数预测58
5.4本章小结62
6气体膜分离过程多级流程性能参数在线预测研究63
6.1引言63
6.2基于LSSVM的炼厂气氢回收过程性能参数在线预测63
6.2.1炼厂气氢回收过程三级流程63
6.2.2过程变量选择和数据采集处理64
6.2.3在线模型的建立与校验64
6.2.4过程性能参数预测65
6.3基于LSSVM的天然气脱CO2过程性能参数在线预测68
6.3.1在线模型的建立与校验68
6.3.2过程性能参数在线预测69
6.4本章小结71
7气体膜分离物料平衡过程的控制与优化73
7.1气体膜分离过程的关键控制参数74
7.2物料平衡控制点的比较76
7.3物料平衡的控制78
7.3.1原料气流量的自动控制78
7.3.2渗透气流量的自动控制78
7.3.3物料平衡的控制方向78
7.3.4物料平衡的双重控制79
7.4物料平衡过程优化控制80
7.4.1过程优化与遗传算法81
7.4.2物料平衡过程优化控制算法82
7.5现场应用结果84
7.6本章小结86
8液体膜分离浓缩过程的控制87
8.1影响反渗透和纳滤膜性能的因素87
8.2浓缩过程的工艺流程88
8.2.1定时清洗间歇排料浓缩工艺流程及循环程序89
8.2.2随机清洗连续排料浓缩工艺流程及控制时序90
8.3大豆低聚糖随机清洗连续排料浓缩工艺流程的控制92
8.3.1排料量的SCC二级控制92
8.3.2原料罐液位的选择性控制及PFC预测函数控制93
8.3.3大豆低聚糖浓缩过程先进控制系统97
8.4现场应用结果100
8.4.1现场数据100
8.4.2控制效果100
8.5本章小结101
9膜分离过程全集成优化控制系统设计103
9.1膜分离过程优化控制的意义103
9.2膜分离过程全集成优化控制的基本思想103
9.3膜分离过程全集成优化控制系统的设计原则105
9.4膜分离过程全集成优化控制系统的功能设计105
9.4.1膜分离过程全集成优化控制的目标105
9.4.2膜分离过程全集成优化控制系统的总体结构106
9.4.3炼厂气氢回收过程全集成优化控制系统107
9.5现场应用结果111
9.5.1现场数据111
9.5.2技术经济分析112
9.6本章小结112
结论113
参考文献115
附录膜分离性能预测120
名词索引122
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| 內容試閱：
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1绪论
1.1膜分离技术的发展和理想膜分离过程目标
1.1.1膜分离技术的发展及应用瓶颈
膜是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料，它能把流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其他物质分离出来。膜分离技术是指以压力差、浓度差或电位差等为推动力，依靠膜的选择渗透作用对不同的气体或液体原料进行分离、纯化与浓缩，如图1.1所示。
图1.1膜分离技术
选择适当的膜分离过程，可以代替蒸馏蒸发、真空过滤、浓缩抽提、离子交换等多种传统的分离与过滤方法，解决目前某些产品在工业生产过程中应用传统工艺无法解决的能耗高、质量差、收率低、污染重等难题[1，2]。
近30年来，作为一项新型的分离、浓缩、提纯、净化及促进传递的技术，膜分离过程不断得到研究开发，应用领域也不断得到拓宽，一些新的膜分离技术不断涌现，如渗透汽化、膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜、生物膜等。同时，传统的膜分离过程也更加成熟，进一步得到工业化、产业化、市场化，如反渗透RO、纳滤NF、超滤UF、微滤MF、渗析D、电渗析ED、气体分离GS等[3，4]。各种膜技术应用范围如图1.2所示。
各种膜分离过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求[5]。
反渗透RO。反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂通常是水的性质，对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜从溶液中分离出来的过程。
纳滤NF。纳滤膜的分离机理与反渗透类似，是从反渗透技术中独立出来的分离技术。纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜和超滤膜之间，因此称为纳滤。
滤UF。应用孔径为10？200A的超滤膜过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。
微滤MF。微滤与超滤的基本原理相同，它是利用孔径大于0.02，直到10叫的多孔膜来过滤。
渗析D。渗析是*早发现、研究和应用的一种膜分离过程，它是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的过程。
电渗析ED。电渗析是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的，目前主要用于水溶液中除去电解质如盐水的淡化等、电解质与非电解质的分离和
膜电解等。
气体膜分离GS。气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术。
渗透汽化PV。渗透汽化也称渗透蒸发，它是利用膜对液体混合物中组分的溶解和扩散性能的不同来实现分离的新型膜分离过程。
其他膜分离过程。用作分离膜的材料包括广泛的天然和人工合成的有机高分子材料和无机材料。目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。
膜的微观结构主要是指膜的形态、膜的结晶态和膜的分子态结构上的厚度、孔径大小和膜的孔隙率等。图1.3为电子扫描显微镜下某种微滤膜的显示图。
膜分离设备的核心部分是膜组件，即按一定技术要求将膜组装在一起的组合构件。
1板框式膜组件。板框式膜组件使用平板式膜，这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由导流板、膜、支承板交替重叠组成。
图1.3电子扫描显微镜下某种微滤膜的显示图
卷式膜组件。卷式膜组件也是用平板膜制成的，其结构与螺旋板式换热器类似。
管式膜组件。管式膜组件由管式膜制成，它的结构原理与管式换热器类似，管内与管外分别走料液与透过液。管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等，分为外压和内压两种。
中空纤维膜组件。中空纤维膜组件的结构与管式膜类似，即将管式膜由中空纤维膜代替。
与传统的化工分离方法，如过滤、蒸发、蒸馏、萃取、深冷等过程相比较，各种膜分离过程的共同特点是：
①工艺流程简单，占地面积小，经济性好，操作维修方便，开停车灵活；
②一般无相变，动力及传动设备少，能耗较低，分离系数较大，应用范围广；
③不需外界加入其他物质，无“三废”，无二次污染，不会对环境造成危害；
④系统放大简单，适应性强，可以大规模集成，无放大效应；
⑤常温下进行，适合热敏性物质和生物制品分离；
⑥分离与浓缩同时进行，便于回收有价值物质。
膜分离技术成功的应用离不开分离系统工艺流程设计及优化，通过对流程进行合理的设计和优化，可以拓宽膜分离技术的应用领域并提高膜分离技术的经济性[6]。
1982年，中国科学院大连化学物理研究所研制的高性能中空纤维氮氢膜分离装置成功用于合成氨厂从弛放气中回收氢气。朱葆琳、蒋国良、陆文军、曹义鸣、贺高红、王海等对流程设计及优化进行了一定的研究和探讨，还在工程实践中不断设计新的流程形式，并对流程进行优化，以确定**流程[7-10]。
1998年，王海以合成氨弛放气膜法氢回收过程工艺流程设计及优化为研究对象，从理论上分析了传统流程设计中存在的问题，设计了新的流程形式，并对流程进行了优化，确定了**流程形式和流程设计[36]，并在此基础上，完善了单级无压缩机流程设计计算模型和计算方法，对流程设计及优化的基本方法和原则以及流程经济性评估进行了初步探索。
但在工艺流程设计完成后，膜分离过程的性能下降及控制水平低等问题就成为严重阻碍其应用效果、使用寿命或更大规模应用的主要瓶颈。
在膜分离过程中，膜的性能会逐渐降低，其原因主要是浓差极化和膜污染。浓差极化是膜表面局部浓度增加引起边界层流体阻力增加，导致传质推动力下降的现象。这种影响具有可逆性，可通过降低料液浓度或改善膜面附近料液侧的流体力学条件，如提高流速、采用湍流促进器和设计合理的流道结构等方法来减小。膜污染是指料液中的微粒、胶体粒子或溶质分子由于与膜之间存在物理化学作用而在膜表面及膜孔中沉积，使膜孔堵塞或变小，膜阻增大，膜的渗透速率下降的现象。膜污染往往具有不可逆性，如膜孔堵塞、溶质在膜孔内的吸附、膜面凝胶层的形成等。膜污染严重时将使膜分离过程无法正常进行，必须对污染膜进行清洗，以确保膜分离过程的正常运行。但频繁的清洗将耗费大量的时间，影响正常操作。
不仅液体分离膜存在污染问题，有些气体分离膜也同样存在，但是这个问题在特殊分离领域尤为突出。由此引出的对膜分离过程工艺条件进行优化控制的研究已成为尚待攻克的课题之一[11]。
对膜分离过程工艺条件进行优化控制，首先是选择有利于控制膜污染的操作条件，即选择适当的操作温度、流速及操作压力等可减少膜污染，强化膜分离过程；对膜分离过程工艺条件进行优化控制还可充分发挥膜分离技术优势，从而创造更大经济效益和社
会效益。
无论在学术上还是工业化应用当中，反渗透、纳滤、超滤、微滤、渗析、电渗析、气体膜分离、渗透汽化等课题的研究都将是重中之重。本书将针对工程中气体分离膜的炼厂气氢回收过程、液体分离膜的反渗透和纳滤大豆低聚糖浓缩过程进行优化控制的研究。
1.1.2膜分离过程控制的复杂性
如下主要干扰作用，会使得膜分离过程运行不稳定，进而影响膜分离技术的经济效益[12]
原料组成的变化。膜分离过程是对一定的原料进行分离，原料性质的改变会严重影响分离的目标，而对膜材料有害的物质则必须通过前处理除去。由于前处理对膜分离过程至关重要，所以以往的控制回路主要是围绕前处理进行。
原料负荷的变化。膜分离过程一般有一定的操作弹性，但如果超过范围，就应该进行相应操作，以确保达到期望的分离性能。因此，膜分离过程的操作指导是非常必要的。
与前后装置的连接调度。膜分离过程已成为流程工业中一个相对独立的单元，由于前后连接调度等原因，往往要求膜分离过程的运行作相应的调整，以满足整个生产
过程的物料平衡。
膜分离器性能的衰减。由于膜材料自身或者原料，或者前处理的原因，膜分离器的性能会随时间推移逐渐衰减，如果能及时了解或预测膜分离器的性能参数，对膜分离过程的优化具有重要的意义。
控制系统的失灵。自动化控制系统是监督、管理、控制膜分离过程的关键，其软硬件的可靠性以及操作员的误操作，都会给膜分离过程带来扰动，甚至损害。
除具有上述一般工业生产过程的特点外，膜分离过程还有如下特殊性：
由于造价或技术原因，重要的膜性能指标如产品质量的参数无法在线测量，只能通过取样分析才能获得；
由于取样化验分析等原因，膜分离过程存在着各种时滞，使过程难于控制；
随着运行操作点不同，膜分离过程特性会不一样，即具有非线性的特性；
膜分离过程的输入和输出之间的关系通常是很复杂的，各变量之间具有很强的耦合性。
1.1.3膜分离过程控制技术的现状及存在的问题
膜分离装置的控制系统对膜分离过程安全、稳定地运行起着非常重要的作用，所以国外的膜分离装置均根据具体控制要求采用当时先进流行的控制系统，即集散控制系统DCS、可编程控制器PLC、现场总线控制系统（FCS均有应用。
膜分离装置投入工业化运行已有几十年，经过大规模推广应用，给使用膜技术的企业带来了实实在在的经济效益和社会效益，并成为化工单元的重要组成部分。但是，目前国内膜分离装置控制系统的设计大多仅停留在常规电III型仪表水平，虽然初期成本相对较低，而工业环境对控制系统的要求已从DCSPLC向更先进、控制效率更高的FCS方向变革性发展。从长远来看，传统设计越来越不能满足控制系统发挥其优化工艺集成、应用先进技术、提升客户价值等方面特点的要求；膜分离装置与控制系统应协同结合，而不应落后于工业环境。随着国内市场国际化，膜技术公司与国外企业竞争的焦点不仅在膜产品的性能价格上，还在控制系统的水平及效率上，如果我们的膜分离装置控制系统继续在原有水平上停滞不前，在与国外企业竞争时便处于落后状态，更难于获得优势。
膜分离过程控制存在的问题主要表现在如下三个方面：
理念上不重视控制系统的作用，把提高自控水平单纯理解为增加成本。在竞争时，为了降低造价，盲目降低自控水平，如减少检测仪表、将自动阀门改为手动阀门、将计算机控制改为现场手动或常规仪表控制等。
控制技术功能未充分发挥。大多数膜分离过程的控制系统都以手动操作方式为主，或者采用PLC主要对电气设备的控制，有的虽采用了DCS，但也只是简单地用集中操作方式替代了现场操作方式，自动投入率很低，没有智能控制。
知识上不了解先进的控制方法。实际上，从某种角度看，只要工艺能提出控制要求，一般控制都能实现。目前，膜分离过程的控制系统都是只对前处理进行的单回路控制，显然无法适应对这个多变量、非线性、强耦合过程的全局协调。
1.1.4理想膜分离过程的概念
理想膜分离过程是指满足一定的工业化应用分离目标技术上可行的经济性**的膜分离过程。如图1.4所示，理想膜分离过程需要进行长期的、多方面的、深入的研究和实践检验的反复努力才能实现，应由三个相对独立的局部构成。其中，膜技术的发展是实现理想膜分离过程的基础，工艺流程的优化是实现理想膜分离过程的前提，优化控制技术是实现理想膜分离过程的保证[13-16]。
图1.4理想膜分离过程的实现
为实现理想膜分离过程的目标，迫切要求膜技术与控制技术的结合，工艺设计应考虑到优化控制的可实现性，控制设计也应满足膜的机理要求。从过程控制的角度，理想膜分离过程就是以较大的处理量、较高的产品回收率、较好的产品质量和较低的消耗，收到**的生产效果和**的经济效益为控制目标的使膜分离过程达到一种**化状态的控制方法以及自动化新技术。本书就是针对各种新的膜分离过程的具体问题，将优化控制技术有效融入膜分离过程优化控制研究的总体框架。这是本书的创新内涵。
本书将面向气体和液体膜分离过程两方面有代表性的新的应用工程，从控制技术结合的角度，以膜分离过程优化控制为
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