分级超结构法综合热集成的质量交换网络

论文摘要

为应对能源危机和日益严重的环境污染问题,政府部门对工业能耗和废物排放提出更高标准,迫切要求企业实施“节能减排”。化工系统工程学的两个分支——热交换网络(HEN)和质量交换网络(MEN)综合分别可以为化工过程的节能与减排提供理论依据和技术支撑。而在对这两种网络进行优化设计时发现,他们之间又存在着交互作用,应该作为一个整体进行同步设计,即对质量交换网络进行热集成。目前这方面的研究主要集中在热集成水网络领域,问题的复杂性较低。在考虑温度影响平衡关系的热集成质量交换网络综合方面,现有研究多采用传统的夹点技术以及分步策略,对两个网络之间的交互作用考虑不够全面,难以得到全局最优解。本文在分析集成的质量交换网络综合的研究现状和发展趋势基础上,分别对热集成质量交换网络的分步、同步综合方法以及同步法在工程实例中的应用进行了研究,考虑温度对平衡关系的影响,综合得到最低的网络年度总费用,以期对工业“节能减排”提供理论依据。本论文的研究内容有：(1)采用基于分级超结构的数学规划法分步综合热集成的MEN。首先分析了连接两个网络的关键参数,将其离散化处理后组合成多个备选方案,然后对每个备选方案采用分步策略。第一步,用超结构法以总年度费用(TAC)最小为目标综合MEN；第二步,从第一步的结果中抽提出HEN综合所需数据,通过求解基于HEN超结构的非线性规划(NLP)模型,得到优化的HEN总年度费用。加和两步中的TAC结果得到该方案下两个网络的总费用,通过比较所有备选方案下的总网络TAC,以总网络TAC最小的方案为最佳方案。与文献中计算结果比较表明本方法具有更好的可行性和有效性。(2)为解决分步综合方法无法保证最优解的问题,对热集成的质量交换网络的同步综合方法进行了研究,提出热集成质量交换网络的同步超结构,以整个系统的年度总费用最小为目标函数建立非线性规划数学模型,采用自适应模拟退火遗传算法在所有优化变量构成的完整解空间内进行同步搜索,确保解的最优或近优性。分别对无贫流股再生和有贫流股再生系统的例子进行同步求解,证明了方法的可行性和有效性。(3)将同步热集成质量交换网络的思想应用于多组分、变流率并且有不同种类的设备类型可供选择的工程实例中。由于不同类型的设备有不同的操作温度范围,对于冷热流股不能事先确定的情况,分两种情况分别讨论计算,最后综合所有情况中的结果得到完整解空间内的全局最优解。最后通过合成氨凝液回收系统的工业实例证明了该方法能够有效降低系统总年度费用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 过程综合
• 1.2 热交换网络综合
• 1.3 质量交换网络综合
• 1.4 热集成质量交换网络综合的研究及进展
• 1.4.1 热集成水网络研究
• 1.4.2 热集成质量交换网络研究
• 1.5 热集成质量交换网络综合的方法
• 1.5.1 分步综合方法
• 1.5.2 同步综合方法
• 1.6 本文的研究思路和主要内容
• 2 超结构法分步综合热集成的质量交换网络
• 2.1 问题描述
• 2.2 设计策略
• 2.3 数学模型
• 2.3.1 基于分级超结构的MEN模型
• 2.3.2 换热器网络超结构模型
• 2.4 自适应模拟退火遗传算法
• 2.4.1 遗传模拟退火算法
• 2.4.2 模拟退火遗传算法
• 2.5 实例求解
• 2.5.1 实例一
• 2.5.2 实例二
• 2.6 本章小结
• 3 超结构法同步综合热集成的质量交换网络
• 3.1 问题描述与设计策略
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 热集成质量交换网络同步优化超结构模型
• 3.2.2 目标函数
• 3.2.3 约束条件
• 3.3 数学模型的求解步骤
• 3.4 实例求解
• 3.4.1 无贫流股再生实例
• 3.4.2 有贫流股再生实例
• 3.5 本章小结
• 4 超结构法同步综合热集成的质量交换网络在工程实例中的应用
• 4.1 问题描述
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 目标函数
• 4.2.2 约束条件
• 4.3 求解策略及步骤
• 4.4 合成氨凝液回收应用实例
• 4.4.1 问题背景
• 4.4.2 原始数据
• 4.4.3 同步热集成分析
• 4.4.4 计算结果及讨论
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 符号说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢