低温精馏的空分过程是生产大量高纯氮气和氧气的重要工业过程,能耗很高,但能源利用率却非常低。在全球能源日渐紧缺的整体环境下,内部热耦合空分塔被认为是空分节能技术中最具有潜力的一种。但是由于内部热耦合的复杂结构和空气多元非理想混合物系结合,导致内部热耦合空分塔的动态建模和控制方案的设计非常困难,尤其针对目前需求量越来越大的高纯和超高纯空分产品的控制方案设计,更是罕有报道。如何有效地建立内部热耦合空分塔非线性动态模型以及设计控制性能良好的控制方案,对于将这种潜力巨大的技术商业化具有深远的意义,也是整个行业研究的前沿。本文的主要工作及创新如下:(1)建立了全塔耦合结构的内部热耦合空分塔的机理模型,分析了内部热耦合空分塔的动态特性。设计出了 PID控制方案、一阶控制模型的内模控制方案、具有反向响应特性的二阶控制模型的内模控制方案、一般模型控制方案以及具有解耦功能和控制模型参数在线校正环节的改进的一般模型控制方案。同时,在中纯产品浓度的内部热耦合空分塔模型仿真中,对上述控制方案的性能和效果进行了分析比较。(2)基于wave理论,首先推导了内部热耦合空分塔的组分浓度单板波速,在此基础上当全塔受到干扰时,进行了 wave特性分析。从宏观角度,推导了内部热耦合空分塔的组分浓度整塔波速。在引入浓度波形的经验函数后,建立了基于组分浓度整塔波速的wave非线性模型,并从wave理论角度对不同产品纯度的内部热耦合空分塔的动态特性进行了观测。(3)考虑到浓度波在传播过程中形状并不是完全恒定的情况,推导出了内部热耦合空分塔的组分浓度整塔修正波速,建立了基于组分浓度整塔修正波速的wave非线性模型,并对内部热耦合空分塔的部分动态特性进行了分析验证,证明了 wave模型的准确度很高,分析了 wave模型相比传统模型带来的模型简化优势。设计出了基于wave模型的一般模型控制方案以及广义化的一般模型控制方案,并针对高纯产品浓度的内部热耦合空分塔进行了控制仿真研究,结果表明了所设计的控制方案的有效性。(4)在内部热耦合空分塔两端产品浓度超高纯的情况下,wave波速表达式中包含的全塔浓度误差累加环节会降低模型精度,影响控制方案性能。针对此问题对wave模型进行了改进,并且将改进的模型与广义化的一般模型控制方案相结合,在超高纯的内部热耦合空分塔控制仿真中,表现出更优秀的控制性能。