间歇过程用水网络综合的研究

论文摘要

随着水资源的日趋紧张及废水对环境的污染问题日益严峻,尽可能地减少新鲜水用量和废水排放已成为人们关注的焦点。过程工业是用水大户和废水排放大户。运用过程技术对过程工业的用水网络进行优化研究,使其新鲜水用量和废水排放量达到最小已成为当前的研究热点。过程工业分为连续型操作和间歇型操作两类,迄今为止人们对连续用水的研究比较充分,但对间歇用水的研究由于涉及到间歇过程的时间性、动态性、批次性等过程特性,问题变得非常复杂、规模庞大,国内外的研究都很不充分,而间歇过程在工业生产中占有越来越重要的地位,因此本文主要对间歇过程的用水网络进行了研究。按照用水网络中所含污染物（杂质）的多少,将间歇用水过程分为单杂质和多杂质两种类型。本文的主要工作即围绕这两部分展开。对相对简单的单杂质问题进行研究,主要采用基于夹点分析技术的图表方法进行用水网络的优化设计,夹点分析的特点是将网络综合问题分解为两个步骤:用水目标的确定和用水网络的合成。在单杂质用水目标的确定过程中,明确和完善了纯水过剩/不足额的概念和计算,提出了利用水级联表格（WCT）进行水级联分析确定用水目标的方法,并通过编程和EXCEL电子表格两种方法实现WCT表格的快速计算;依据间歇用水过程的时间特性将其细分为完全间歇、半间歇和混合间歇用水过程,明确了中间储罐、用水周期等概念,提出了局部夹点和全局夹点的定义,提出并证明了全局用水目标不大于局部总用水目标的推论;在确定最小用水目标后,开发了时间—纯度两维用水图（TP-Diagram）进行用水网络设计的方法,TP-Diagram以时间为横轴,以纯度为纵轴;以方框表示各个用水过程,其中左右边框表示用水过程的起止时间,上下边框表示进出口纯度,中间的文字表示用水过程的序号,图中全面详尽地描述了各个用水过程的操作数据及相互关系,从而易于发现水集成的机会,有利于水网络的快速设计。在利用TP-Diagram进行单杂质的间歇用水网络设计过程中,本文还提出了单杂质间歇用水网络的设计规则。该规则分为无储罐和有储罐两类,包括水源的确定规则、计算方法和储罐的添加及合并规则。本文分析了在用水单元的杂质总传质量不变化的情况下,分别按照是否满足各个用水单元的限制流量,对用水网络的影响,并指出了全局夹点对网络设计具有重要的指导意义。实例研究表明,本文提出的单杂质间歇用水网络设计方法可用于求解包含传质和非传质过程的半连续、完全间歇和多周期间歇过程用水网络,适用范围广,简便有效,既避免了数学法的迭代求解又避免了图形法的复杂繁琐,求解过程简单。同时由实例计算结果还可看出,设置储罐后可以打破时间约束,使局部夹点与全局夹点一致,可以极大的降低最小新鲜水目标和废水目标,节水效果显著;完全间歇用水过程的设计与半间歇的不同,前者更多地依赖全局WCA的分析。工业生产用水中往往含有多个污染物,因此多杂质用水网络综合问题（MWNS）的研究更有实际意义。但由于问题的复杂性,直观简便的图表法不能胜任,本文利用数学规划的方法进行研究,并采用增加中间储罐的方式消除间歇过程的时间特性。首先基于超结构概念及构建原则提出了多杂质间歇用水网络超结构的构建方法,依据该方法建立了间歇MWNS的超结构网络模型,其次建立该超结构的数学规划模型,最后提出了该数学模型的分步求解策略,主要工作包括:（1）明确了多杂质间歇用水中关键组分的定义,并通过数学推理,证明间歇多杂质用水网络不存在内循环,即没有再生情况下的循环回用毫无意义;（2）所建立的数学模型是一种内外两层嵌套的非线性规划模型,其中内层是用来寻找当前操作序列下的满足各个水阱的最小新鲜水用量;外层是考虑所有可能的操作序列并通过比较内层结果寻找整个过程的最小新鲜水用量;（3）针对多杂质间歇用水的特性,提出了降低模型规模的水源优选规则,简化了所构建的模型;（4）基于序贯方法提出了模型的数值求解方法,引入不考虑时间约束时的最优用水序列和目标网络的概念,并引入“逆序数”的概念提前获得用水网络达到稳定状态的周期数,给出了计算结束的判断标准及中间储罐的清空和合并规则;（5）实例研究表明,本文提出的方法是间歇过程多杂质用水网络结构设计的有效工具,可在较少周期后获得稳定的网络结构,解决了间歇过程多杂质用水网络结构不稳定的问题,使新鲜水的用量大大减少。本文还研究了含再生的多杂质用水网络的优化设计,研究了含再生单元的超结构网络的复杂性;将再生单元设置在间歇用水周期完成之后,建立含再生单元的三层嵌套数学规划模型,分别以最小新鲜水、最小废水再生流量和最小再生杂质负荷浓度为目标,利用本文开发的分步求解策略获得了最优的再生间歇用水网络,从而进一步节约了用水。通过案例求解,证明了本文所提的方法可以进行含再生的间歇用水网络的优化设计,该方法有效,可以获得稳定的网络结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水资源概述
• 1.1.1 水资源的储量与分布
• 1.1.2 水资源的污染
• 1.1.3 水资源危机
• 1.2 水资源危机在我国的严峻性
• 1.2.1 我国水资源现状
• 1.2.2 我国的工业用水现状及存在的问题
• 1.2.3 我国水资源问题的出路
• 1.3 过程技术在过程工业节水中的应用
• 1.3.1 过程工业与过程技术
• 1.3.2 用水网络综合
• 1.3.3 间歇过程的重要性及用水研究现状
• 1.4 论文的选题背景及主要研究内容
• 1.4.1 论文的研究背景及意义
• 1.4.2 论文的主要内容
• 1.4.3 论文的组织结构
• 第二章 过程工业用水网络综合的研究进展
• 2.1 过程工业的节水及相关概念
• 2.2 过程工业用水网络的结构发展历程
• 2.3 用水网络综合的研究内容
• 2.4 用水网络综合的主要研究方法
• 2.4.1 图解方法
• 2.4.2 数学规划法
• 2.4.3 基于规则的设计算法
• 2.4.4 混合求解策略
• 2.5 间歇过程用水网络的优化方法
• 2.5.1 间歇过程的过程特性
• 2.5.2 间歇过程的用水特性
• 2.5.3 间歇过程用水网络综合研究进展
• 2.6 用水网络综合的工业应用
• 2.7 本章小结
• 第三章 单杂质用水网络目标的确定
• 3.1 引言
• 3.2 研究问题描述
• 3.2.1 用水单元的类型
• 3.2.2 问题描述
• 3.3 水级联分析与水级联表格
• 3.3.1 纯水过剩/不足额与累积纯水过剩/不足额
• 3.3.2 水级联表格（Water Cascade Table）
• 3.3.3 水级联分析法（Water Cascade Analysis）
• 3.3.4 WCA技术的适用范围
• 3.4 间歇水级联分析与水级联表格
• 3.4.1 纯水过剩/不足额（Pure water surplus/deficit）
• 3.4.2 间歇水级联表格（Batch Water Cascade Table）
• 3.4.3 间歇水级联分析法（Batch Water Cascade Analysis）
• 3.5 水级联分析的解算方法
• 3.5.1 利用VC语言编制程序求解
• 3.5.2 电子表格求解
• 3.6 纯度夹点的意义
• 3.7 实例
• 3.7.1 实例1
• 3.7.2 实例2
• 3.8 本章小结
• 第四章 单杂质用水网络的优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 间歇过程的时间特性与相关基本概念
• 4.2.1 间歇用水过程的时间特性
• 4.2.2 用水周期与中间储罐
• 4.2.3 局部夹点和全局夹点
• 4.3 时间—纯度两维用水图
• 4.4 间歇用水网络的设计规则
• 4.4.1 无储罐时的用水网络设计规则
• 4.4.2 有储罐时的用水网络设计规则
• 4.5 间歇用水网络的设计方法
• 4.5.1 间歇用水网络的设计方法
• 4.5.2 间歇用水网络的设计原则
• 4.6 应用实例
• 4.6.1 实例1
• 4.6.2 实例2
• 4.6.3 实例3
• 4.7 本章小结
• 第五章 多杂质间歇用水的超结构模型及求解
• 5.1 引言
• 5.2 基本假设与基本概念
• 5.2.1 基本假设
• 5.2.2 关键组分的定义
• 5.2.3 内循环不存在的证明
• 5.3 间歇用水网络的超结构模型
• 5.3.1 过程系统综合中的超结构思想
• 5.3.2 间歇用水网络超结构模型的建立
• 5.4 间歇用水网络超结构的数学模型
• 5.4.1 超结构的一般数学模型
• 5.4.2 间歇用水网络超结构的一般数学模型
• 5.5 超结构数学模型的求解策略
• 5.5.1 模型求解的简化策略与基本思想
• 5.5.2 模型求解前的预备工作
• 5.5.3 数学模型的求解策略
• 5.5.4 数学模型的解算框图
• 5.6 案例研究
• 5.5.1 案例1
• 5.5.2 案例2
• 5.7 本章小结
• 第六章 含再生的多杂质间歇用水网络设计
• 6.1 引言
• 6.2 废水的再生
• 6.3 含再生的用水网络设计规则及再生标准
• 6.3.1 相关定义及假设
• 6.3.2 间歇用水过程的再生简化规则
• 6.3.3 再生单元的评价标准
• 6.4 含再生的间歇用水网络设计模型及求解
• 6.4.1 超结构模型
• 6.4.2 再生数学模型
• 6.4.3 数学模型的求解策略
• 6.5 案例
• 6.5.1 案例1
• 6.5.2 案例2
• 6.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录