基于传质浓度差同步优化多组分质量交换网络

论文摘要

质量交换网络（MEN）综合作为过程集成的一个分支,具有提高资源利用效率和降低环境污染的双重效能。本文从热力学角度分析了多组分MEN综合的特点及研究难点,提出了解决多组分MEN综合的策略,对多组分质量交换网络综合的方法进行了研究。着重开展了以组合法和超结构法基于传质浓度差同步优化多组分质量交换网络的研究。论文的主要研究内容及结果如下:（1）分析并考察了传质浓度差对质量交换网络各种费用的影响,发现传质浓度差对MEN的操作费用和投资费用的影响趋势相反,且程度不同,作者认为只有采用同步优化的方法才可设计出年度总费用最小的MEN,所以本文重点研究了以传质浓度差为变量权衡MEN操作费用和设备投资费用的同步优化方法。（2）为解决相容多组分MEN综合问题,提出了浓度问隔表法与数学规划法相结合的同步优化方法—组合法。该方法以传质浓度差作为变量,根据浓度间隔表（CID）建立数学模型,以传质浓度差权衡操作费用和设备投资费用,可同步获得年度总费用最小的MEN和对应的最优传质浓度差。研究表明,夹点分析可发现过程瓶颈,剔除一些不合理的结构,降低数学模型的维数和求解难度,所以采用优化软件GAMS就可以求解。将该方法应用到文献实例中,年度总费用比文献均有降低,最大降幅达20.1%,表明该方法对相容多组分MEN综合问题是有效的和可行的。（3）为解决复杂的多流股和不相容多组分MEN综合问题,提出了超结构同步综合法,可以同时考虑MEN中流股的各种匹配情况及组分间相互作用等约束。与文献不同,将传质浓度差作为变量权衡MEN的操作费用和投资费用,以流股进出单元设备的流率来判断传质单元的取舍,建立了NLP数学模型,优化变量数目明显减少,并避免MINLP模型中0-1变量带来的离散性,采用自适应模拟退火遗传算法（ASA/GA）进行求解,可同步获得最优的传质浓度差和最优的MEN结构。将该方法应用于两个文献实例的计算,年度总费用比文献结果分别降低了9%和4%,表明所提出的超结构方法能以更大的概率获得最优解。（4）采用超结构同步综合法对国内某合成氨厂工艺凝液回收系统进行了优化设计。该系统因具有单元传质负荷大,操作温度、压力高,且具有强非理想性的特点,故属于比较复杂的多组分MEN综合问题。因此,与传统MEN综合问题不同,必须将流股进出单元的流率作为变量,同时需要考虑组分间的相互作用以及温度/压力对传质相平衡方程的影响。本文分别采用串级超结构和多级超结构法对该系统进行了优化计算,结果表明,将流率、温度/压力作为变量优化是必要的。温度/压力的优化可以改变传质相平衡及传质推动力,可获得年度总费用更小的MEN,验证了该方法对指导工程实际问题的优化设计是有一定理论指导作用的。（5）本文采用自适应模拟退火遗传算法对超结构同步综合法所形成的NLP模型进行求解,并对算法的评价函数进行了改进。采用自适应调整步长和温降的策略可提高算法的运算速度和搜索解的质量。对各实例的求解表明该算法在收敛速度及以更大概率获得全局最优解方面具有良好的性能,可以有效地求解由多组分MEN综合所形成的NLP问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 质量交换网络综合研究的内容及进展
• 1.1.1 质量交换网络综合研究的内容
• 1.1.2 质量交换网络综合的研究进展
• 1.2 质量交换网络综合的方法
• 1.2.1 分步综合方法
• 1.2.2 同步综合方法
• 1.2.3 人工智能法
• 1.3 多组分质量交换网络综合研究
• 1.3.1 多组分质量交换网络综合的特点
• 1.3.2 多组分质量交换的热力学基础及热力学数据的获取
• 1.3.3 多组分质量交换网络综合研究的策略及方法
• 1.4 遗传算法与模拟退火算法
• 1.4.1 遗传算法
• 1.4.2 模拟退火算法
• 1.4.3 遗传算法与模拟退火算法的结合
• 1.5 质量交换网络综合方法的应用
• 1.6 论文主要研究内容及组织结构
• 2 组合法综合多组分质量交换网络
• 2.1 问题的提出与描述
• 2.1.1 浓度转换的基本概念
• 2.1.2 影响传质浓度差取值的因素分析
• 2.1.3 质量交换网络综合问题描述
• 2.2 浓度间隔表法与数学规划法综合质量交换网络
• 2.2.1 浓度间隔表法综合质量交换网络
• 2.2.2 数学规划法综合质量交换网络
• 2.2.3 浓度间隔表法与数学规划法综合质量交换网络比较
• 2.3 组合法综合多组分质量交换网络的研究
• 2.3.1 组合法数学模型的建立
• 2.3.2 组合法综合多组分质量交换网络
• 2.3.3 组合法综合多组分质量交换网络实例
• 2.4 组合法同步优化传质浓度差和质量交换网络
• 2.4.1 传质浓度差对质量交换网络年度总费用的影响
• 2.4.2 组合法同步优化传质浓度差和质量交换网络的数学模型
• 2.4.3 组合法同步优化传质浓度差和质量交换网络的步骤
• 2.4.4 组合法同步优化传质浓度差和质量交换网络实例
• 2.4.5 组合法同步优化传质浓度差和多组分质量交换网络
• 2.5 GAMS软件在质量交换网络综合中的应用
• 2.6 本章小结
• 3 超结构法同步优化传质浓度差和多组分质量交换网络
• 3.1 化工过程同步综合的数学模型
• 3.1.1 MINLP模型与NLP模型
• 3.1.2 过程综合的超结构
• 3.1.3 超结构数学模型的求解
• 3.2 自适应模拟退火遗传算法
• 3.2.1 自适应模拟退火算法的构成
• 3.2.2 自适应模拟退火算法的改进
• 3.2.3 自适应模拟退火遗传算法的实现
• 3.2.4 自适应模拟退火遗传算法性能测试
• 3.3 自适应模拟退火遗传算法求解质量交换网络综合问题
• 3.3.1 初始可行解产生的策略
• 3.3.2 遗传运算的实现
• 3.3.3 自适应模拟退火遗传算法参数的设置
• 3.3.4 约束条件的处理
• 3.3.5 自适应模拟退火遗传算法求解MEN综合问题的基本步骤
• 3.3.6 结果的输出
• 3.4 超结构法同步优化传质浓度差和多组分质量交换网络
• 3.4.1 问题描述
• 3.4.2 超结构同步优化法数学模型的建立
• 3.4.3 非线性规划数学模型的分析
• 3.5 多级超结构非线性规划数学模型的求解步骤
• 3.6 计算实例
• 3.6.1 单组分多流股实例
• 3.6.2 多组分实例
• 3.7 本章小结
• 4 超结构综合法在合成氨工艺凝液回收系统中的应用
• 4.1 问题的背景
• 4.1.1 合成氨工艺凝液的来源及组成
• 4.1.2 合成氨工艺凝液回收系统的特点及设计难点
• 4.2 进出口流率变化的多组分质量交换网络综合的超结构建模
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 数学模型的建立
• 4.3 数学模型的求解策略及步骤
• 4.3.1 数学模型的求解策略
• 4.3.2 数学模型的求解步骤
• 4.4 合成氨工艺凝液回收系统的优化设计
• 4.4.1 原始数据
• 4.4.2 热力学数据的提取
• 4.4.3 串级超结构的计算结果及分析
• 4.4.4 多级超结构法计算结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录A 主要符号说明
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 致谢