费用最小的质量交换网络综合研究

论文摘要

质量交换网络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益。质量交换网络的年度总费用主要包括操作费用和设备投资费用，最小浓度差的大小反映了贫、富流股间组分传质推动力的大小，因而影响质量交换网络的操作费用和投资费用。现有的质量交换网络综合设计或者是将各组分在贫、富流股之间对应的最小浓度差假设为固定值，或者是使用分步的方法对其进行优化，因此并没有实现真正意义上的质量交换网络的总费用最小化。本文在全面分析换热网络和质量交换网络综合方法的相似性基础上，对最小浓度差同步优化的质量交换网络综合方法进行了比较详细、深入的研究，并针对单组分系统和多组分系统，用最小浓度差从全局权衡操作费用和投资费用，以达到总费用最小的目标。本论文的主要研究内容有：(1)对于单组分质量交换网络综合问题，将目标物质在贫、富流股间的最小浓度差作为变量，基于夹点技术，提出了浓度间隔表和数学规划相结合的方法，画出浓度间隔表，以年度总费用作为目标函数，考虑质量衡算、出口浓度限制、环境标准以及操作可行性等约束条件，建立非线性规划模型，并在最小浓度差的可行解区间内求解，同步优化得到最小浓度差的值和优化的质量交换网络。并通过对文献中两个实例的求解验证本方法的可行性。(2)针对基于夹点方法求解多组分系统的最小浓度差和质量交换网络的不足，采用分级超结构法，考虑流股匹配的所有可行方案，既能处理单组分系统，又能处理多组分系统，以年度总费用最小为目标，建立质量交换网络的超结构模型，将每一对贫、富流股对应的浓度差作为变量，权衡操作费用和投资费用，并利用自适应模拟退火遗传算法进行求解，同步得到年度总费用的最小值以及对应的最小浓度差，从而得到全局最优的质量交换网络。(3)对传质负荷相对较大的多组分传质过程，必须将流股流率作为变量，通过传质平衡方程，求出传质平衡状态下各个组分在流股间发生的传质量，从而获得各流股流率的变化。另外，为了使模型更准确，更加符合工程实际，适用于模拟和优化操作条件变化较大的工业过程，本文还考虑了温度和压力对传质平衡方程的影响，在适宜的操作温度和压力下，同步优化出贫、富流股在各个质量交换器进出口的流率和每一个组分对应的最小浓度差的值及优化的质量交换网络结构。因为考虑了操作温度和压力的变化对组分传质过程的影响，得到了全局最优的质量交换网络及其对应的最小浓度差。最后用一个合成氨工程实例验证了方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 过程综合
• 1.2 质量交换网络综合的内容
• 1.3 质量交换网络综合的研究进展
• 1.4 质量交换网络综合的方法
• 1.4.1 分步综合方法
• 1.4.2 同步综合方法
• 1.4.3 其它集成技术
• 1.5 遗传/模拟退火算法
• 1.5.1 模拟退火算法
• 1.5.2 遗传算法
• 1.5.3 遗传算法的改进
• 1.6 General Algebraic Modeling System（GAMS）简介
• 1.7 本文的研究思路和主要内容
• 2 最小浓度差同步优化的单组分质量交换网络
• 2.1 浓度转换的基本概念
• 2.2 最小浓度差同步优化的数学模型
• 2.2.1 问题描述
• 2.2.2 目标函数
• 2.2.3 约束条件
• 2.3 最小浓度差的同步优化设计步骤
• 2.4 最小浓度差的优化设计实例
• 2.4.1 实例1
• 2.4.2 实例2
• 2.5 本章小结
• 3 最小浓度差同步优化的多组分质量交换网络
• 3.1 问题描述
• 3.2 最小浓度差同步优化的超结构模型
• 3.2.1 目标函数
• 3.2.2 约束条件
• 3.2.3 非线性规划模型的分析
• 3.3 数学模型的求解步骤
• 3.4 分级超结构计算实例
• 3.4.1 单杂质实例
• 3.4.2 多杂质实例
• 3.5 自适应模拟退火遗传算法
• 3.5.1 模拟退火算法和遗传算法的结合
• 3.5.2 自适应模拟退火遗传算法
• 3.5.3 自适应模拟退火遗传算法性能测试
• 3.5.4 自适应模拟退火遗传算法求解多组分实例的超结构模型
• 3.6 本章小结
• 4 进出口流率变化的多组分质量交换网络
• 4.1 问题描述
• 4.2 进出口流率变化的质量交换网络的数学模型
• 4.2.1 目标函数
• 4.2.2 约束条件
• 4.3 非线性规划模型的求解步骤
• 4.4 计算实例
• 4.4.1 流股流率和最小浓度差的同步优化
• 4.4.2 操作温度、压力、流股流率和最小浓度差的同步优化
• 4.5 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 附录A 主要符号说明
• 附录B 单杂质实例2的 GAMS计算结果汇总
• 附录C 合成氨体系各组分模拟数据汇总
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢