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低温空分是工业过程中应用最为广泛的生产高纯氮氧产品的装置，然而其热力学效率非常低。近年来，随着煤气化联合循环发电技术的发展，对氮氧产品的需求急剧增加。内部热耦合精馏塔是迄今为止节能效率最高的精馏装置。本论文将内部热耦合精馏技术引入到空分过程中，用来提高空分过程的节能潜力。 本论文的主要工作包括内部热耦合空分塔的概念设计、建模、优化与控制: 1.首次提出了两种全新的内部热耦合空分塔结构，分别为全塔耦合空分塔(F-HIASC)和塔顶耦合空分塔(T-HIASC)。全新的热集成以及热耦合结构，使得F-HIASC和T-HIASC比传统空分结构(CASC)和其他文献中提出的塔底耦合空分塔结构(B-HIASC)有着更高的节能潜力。 2.对于不同的内部热耦合空分塔结构建立了平衡级模型，并且进行了稳态特性比较分析。在F-HIASC和T-HIASC结构中，氮氧产品的纯度均可以达到超高纯需求，耦合塔板之间有着很强的传热推动力，说明了该结构有着很大的节能空间。 3.对于B-HIASC结构首次进行了非平衡级建模研究。研究结果表明非平衡级模型比常规的平衡级模型有着更高的准确性，为进一步的设计和优化分析提供了更有利的工具。进一步，基于非平衡级模型，进行了总塔板数以及进料采出位置的操作调优，增加了B-HIASC的可行性。 4.提出了所设计的不同热耦合空分塔的基于平衡级模型和非平衡级模型的节能优化模型，并进行了节能优化研究，结果表明:与传统空分结构相比，B-HIASC可以节能17％，F-HIASC可以节能20％，T-HIASC有着最高的节能潜力可以节能47％。 5.从生产潜力优化、UA可行性优化、二氧化碳优化等角度进一步研究了不同结构空分塔的特性。经济效益分析说明了内部热耦合空分结构有着良好的应用前景。 6.提出了内部热耦合空分塔的动态模型。动态特性分析说明了该过程有着强烈的不对称动态特性和反向响应等非线性特性，揭示了高纯热耦合空分过程本质上难控的原因。进一步，设计出了多回路PID控制器、基于ARX的一般模型控制器，并进行了解耦控制以及自适应控制的研究。