（化学工程专业论文）费用最小的质量交换网络综合研究.pdf

大连理工丈学硕士学位论文 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闻发生的传质量，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。 费用最小的质量交换网络综合研究 关键词：最小浓度差；质量交换网络综合；非线性规划；自适应模拟退火遗传算法； 分级超结构法； 大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo ns y n t h e s i so f m a s se x c h a n g en e t w o r kt a r g e t i n gm i n i m u mc o s t a b s t r a o t a so n eo ft h eb r a n c h e so fp r o c e s si n t e g r a t i o n , s y n t h e s i so fm a s se x c h a n g en e t w o r k ( m e n ) h a sb e e np r o v i d e dw i t hd u a lb e n e f i t so fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yi nr e s o a r c eu t i l i t y a n dr e d u c i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t o t a la n n u a l i z e dc o s to fam a s se x c h a n g en e t w o r k i sm a i n l yc o m p r i s e do f o p e r a t i n gc o s ta n dc a p i t a lc o s t 。1 1 硷m i n i m u mc o m p o s i t i o nd i f f e r e n c e s r e f l e c tt h ei m p e t u so fm a s st r a n s f e rb e t w e e nr i c ha n dl e a ns t r e a m sa n da f f e c tt h eo p e r a t i n g c o s ta n dc a p i t a lc o s ts i g n i f i c a n t l y h o w e v e r , s of a rt h e ya r ee i t h e rg i v e nb yf i x e dv a l u e sa si n m o s tl i t e r a t u r e s ，o ro p t i m i z e du s i n gs t e p w i s em e t h o 如，s ot h em i n i m u mc o s to f m a s se x c h a n g e n e t w o r kc a l ln o ta c h i e v e da c t u a l l y t h i sp a p e rp r e s e n t sas i m u l t a n e o u sm e t h o dt oo p t i m i z et h e a n dm a s se x c h a n g en e t w o r k sf o rt h es i n g l e c o n t a m i n a n to rm u l t i c o n t a m i n a n ts y s t e m w h i c h i sb a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y z i n gt h es i m i l a r i t yo fh e a te x c h a n g en e t w o r k sa n dm a s s e x c h a n g en e t w o r k s ，t h em i n i n l u n lc o m p o s i t i o nd i f f e r e n c e sa r eu s e dt ob a l a n c et h eo p e r a t i n g c o s ta n dc a p i t a lc o s tt oa c h i e v et h eo b j e c t i v eo fm i n i m u mt o t a lc o s t 1 1 1 ec o n t e n to ft h i sp a p e r i sl i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a s t ot h em i n i m u mc o s to f s i n g l e c o n t a m i n a n ts y n t h e s i so f m e n ，t h i sp a p e rp r e s e n t s ac o m b i n a t i o nm e t h o do fc o m p o s i t i o ni n t e r v a ld i a g r a mw i t hm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ，a n d t h e b e t w e e nr i c ha n dl e a ns t r e a m sa r et a k e na sv a r i a b l e sf o rt a r g e t i n gt h em i n i m u mt o t a l a n n u a l i z e dc o s t ，w h i c hi sb a s e do nt h ep i n c ht e c h n o l o g y t h en o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ( n l p ) m o d e li sf o r m e dc o n s i s t i n go ft h ec o n s t r a i n t so fm a s st r a n s f e re q u i l i b r i u me q u a t i o n s ，o u t l e t c o m p o s i t i o nr e s t r i c t s ，e n v i r o n m e n t a ls t a n d a r d sa n do p e r a t i n gf e a s i b i l i t y ，t h e nt h eo p t i m a l v a l u e so f ea n dt h es t r a c t u r eo fm e nc a nb eo b t a i n e ds i m u l t a n e o u s l yb ys o l v i n gn l pm o d e l i nt h ef e a s i b l ei n t e r v a lo f ev a u l e s 1 1 1 ep r o p o s e dm e t h o di sd e m o n s t r a t e c lw i t ht w oe x a m p l e s ( 2 ) a i m i n ga tt h es h o r t a g e so fp i n c ht e c h n o l o g yw h i l eo p t i m i z i n gt h e8v a u l e sa n d n e t w o r ks t r u c t u r eo fm u l t i - c o n t a m i n a n tm e n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas t a g e w i s es u p e r s t r u c t u r e m e t h o dt oc o n s i d e ra l lt h ef e a s i b l es t r e a r f l sm a t c h i n g ，w h i c hc a nb eu s e dt oh a n d l eb o t ht h e s i n g l e - c o n t a m i n a n ta n dm u l t i c o n t a m i n a n ts y s t e m ，t h es u p e r s t r u c t u r em o d e lo fm e n c a nb e b u i l tb yt a r g e t i n gt h em i n i m u mt o t a la n n u a l i z e dc o s ta n dt a k i n gt h esa sv a r i a b l e st om e a s u r e t h eo p e r a t i n gc o s ta n dc a p i t a lc o s t n 圮m i n i m u mt o t a la n n u a l i z e dc o s ta n dt h esv a l u e sc a nb e o p t i m i z e ds i m u l t a n e o u s l yb yt h ea d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h e nt h e g l o b a lo p t i m a lm e n c a nb eo b t a i n e d ( 3 ) i nt h ec o n d i t i o no fal i t t l el a r g e rm a s st r a n s f e ro fc o m p o n e n t sb e t w e e nr i c ha n dl e a n s t r e a m s ，t h ef l o wr a t e so fs t r e a m sm u s tb et a k e na sas e to fv a r i a b l e s ，w h i c hc a nb ec a l c u l a t e d 费用最小的质量交换网络综合研究 b ym e a n so fm a s st r a n s f e re q u i l i b r i u me q u a t i o n s b e s i d e s ，i no r d e rt oa c c o r dw i t ht h e p r a c t i c a lc a s eo f am u l t i c o m p o n e n ts y s t e mi ni n d u s t r y ，t h i sp a p e rt a k e st h ei n t e r a c t i o n so f t h e c o m p o n e n t si nt h es y s t e mi n t oc o n s i d e r a t i o n , s ot h em a s st r a n s f e re q u i l i b r i u me q u a t i o n sa r e c o r r e l a t e dt ot h ec o m p o s i t i o no fc o m p o n e n t s ，t h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo fe a c h u n i t a tf e a s i b l et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，t h eo p t i m a lf l o wr o t e s ，a l o n gw i t ht h em i n i m u m c o m p o s i t i o nd i f f e r e n c e sa n dt h em a s se x c h a n g en e t w o r k c a nb eo b t a i n e ds i m u l t a n e o u s l y b e c a u s et h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo fe x c h a n g e r sa r et a k e na sv a r i a b l e s ，t h ec o r r e s p o n d i n g t o t a la n n u a l i z e dc o s ta n dm i n i m u mc o m p o s i t i o nd i f f e r e n c e sa r eg l o b l eo p t i m u m a tl a s t ，a l l p r a c t i c a la p p l i c a t i o ne x a m p l eo fs y n t h e t i ca m m o n i ai s u s e dt ov a l i d a t et h em e t h o d s e f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：m i n i m u mc o m p o s i t i o nd i f f e r e n c e ：m a s se x c h a n g en e t w o r ks y n t h e s i s ：n o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ：a d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ；s t a g e w i s es u p e r s t r u c t u r e ； 一i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本- j o f 究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可呆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 玉圣：鳖 导师签名：羞熊导师签名：略螋 埠年上月争日 大连理工大学硕士学位论文 引言 过程系统综合f 1 】是指按照规定的系统特性，寻求所需要的系统结构及其各个子系统 的性能，并使系统按规定的目标进行优化组合。它是过程系统工程学的核心内容，是过 程系统设计的关键，包含换热网络综合、质量交换网络综合、反应序列综合、分离序列 综合及过程控制综合等。 质量交换网络综合的研究可分为两个方面：质量交换网络设计和现有质量交换网络 的优化改造。质量交换网络设计研究的主要目标是通过寻求过程系统中给定工艺物流与 过程贫流股或与# j n 质量交换剂之间进行优化匹配，在满足过程组分传质要求的前提下 实现传质单元设备最高的使用效率以及最小的贫流股用量，即达到设备投资费用与操作 费用间的权衡。现有质量交换网络优化改造研究的主要目标是充分利用现有传质单元设 备和贫流股，降低现存网络结构的总费用。两方面的研究都是试图以最经济的代价回收 过程组分，降低过程系统的资源消耗，得到最优匹配的网络结构。 目前质量交换网络综合主要的研究方法有浓度间隔表法、状态空间法、过程图法和 超结构法等。其中，浓度间隔表法是基于夹点技术的可视化方法，没有考虑各个阶段之 间的耦合关系，灵活性差，状态空日j 法和过程图法建模过程复杂，求解计算量大，而且 对于多组分复杂质量交换网络综合的传质匹配问题很难找到切实有效的方法。超结构方 法可以提出一个包含所有可能有意义的解的总体框架，考虑了过程系统富流股和贫流股 问所有可能的匹配结构，通过建立超结构数学模型，优化求解得到全局最优的质量交换 网络。 过程系统的富流股和贫流股在传质单元设备内接触时，由于传质组分在相互匹配的 流股间存在浓度差而发生了质量传递，浓度差就是组分发生传质现象的推动力，传质量 的大小取决于流股的性质以及最小浓度差的取值。本文针对工程实际问题，为了降低过 程的年度总费用，将组分在每一对相互匹配的贫、富流股阗发生传质操作的最小浓度差 作为优化变量，首先采用浓度自j 隔表与数学规划相结合的方法，通过调节最小浓度差的 值权衡操作费用和投资费用，同步考虑年度总费用及最小浓度差的优化，解决了单杂质 质量交换网络最佳工艺参数的选择以及贫、富流股相互匹配的网络结构；然后采用基于 结构的分级超结构法研究了多组分质量交换网络的流股匹配以及年度总费用和对应的 最小浓度差的优化；最后在此基础上考虑了实际生产过程中贫、富流股传质负荷较大的 情况，由于各个流股进、出每一个传质单元设备的流量发生了较大的变化，不能将流股 流率近似看作固定值，而是作为优化变量，并考虑了温度和压力对传质平衡方程的影响， 费用最小的质量交换网络综合研究 建立数学模型，用改进的遗传算法进行求解，综合出更加符合实际的年度总费用最小的 质量交换网络。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 化工、炼油、冶金等工业过程大多包括传质操作，即利用杂质或污染物组分在一对 流股之间存在浓度梯度，通过各种质量交换操作，如吸收、解吸、吸附、萃取、沥滤和 离子交换等，实现杂质或污染物组分由浓度相对较大的流股( 富流股) 向浓度小的流股 ( 贫流股) 发生质量传递。 对于一个包含多个流股的实际生产过程，需要完成传质操作，达到污染物的排放标 准，过去人们通常使用末端治理方法，其优点是设计和操作简单，缺点是处理费用大， 不能有效地利用工业过程的内部资源。为了避免这个缺点，提高处理效率和经济效益， 降低总费用，就需要对处理过程进行优化设计，使之能在满足质量平衡、环境限制和安 全等约束条件下，合理选择过程内部的贫流股或者外加的质量分离剂，有选择性地将废 物或污染物从富流股中除去，以实现整个过程消耗的费用最小，达到最大限度的节约资 源的目标。 1 1 过程综合 过程系统工程( p r o c e s ss y s t e m se n g i n e e r i n g ，p s e ) 是将系统工程学的理论和方法应 用于化工过程，是八十年代初才兴起的多学科集成的交叉科学i ”。1 9 8 8 年美国权威专家 编写的“f r o n t i e r s i n c h e m i c a l e n g i n e e r i n g ：r e s e a r c h n e e d s a n do p p o r t u n i t i e s ”将之定义为 2 1 ； “过程系统工程是研究如何选择优化了的单元设备及其之间连接关系来组成一个化工 过程系统，以便从给定的原料，以最小的总费用和最小的环境污染来安全地生产出一定 要求的产品，并在操作运行中采取和保持最优的操作条件”。随着人们对过程综合认识 的不断深入，杨友麒 3 1 认为这一定义应当外延到经销、管理和投资决策等方面，故还应 加上：“通过科学、定量的管理和经营决策，保证在不断变化的各种市场及外部条件下， 都能使化工过程系统获得符合可持续发展要求的最大效益”。 在过程系统工程领域中，过程系统综合( p r o c e s ss y n t h e s i s ，p s ) 是其核心内容，这 是过程优化设计中最具创造性的阶段。过程综合主要关心的是在给定的物料及过程要求 前提下，确定优化的系统结构和过程参数，以最具经济效益的方式生产出产品。自r u d d 【4 】 提出过程综合的系统理论和方法以来，由于这一问题的巨大吸引力，一直受到众多学者 的关注。三十年来，过程综合已在以下领域展开研究，并取得了不同程度的进展1 5 j 。 ( 1 ) 换热器网络综合 ( 2 ) 分离过程综合 ( 3 ) 反应路径综合 费用最小的质量交换网络综合研究 ( 4 ) 反应器网络综合 ( 5 ) 公用工程系统综合 ( 6 ) 全流程系统综合 其中换热网络综合在学术上已取得重大突破，部分研究成果在工业上已获得应用。 分离过程综合自7 0 年代发生石油危机以来，一直是过程综合的研究热点之一，并取得 显著进展；公用工程系统作为过程系统的一个子系统，其综合问题的研究也引起了越来 越多的关注；全流程系统综合作为一个综合目标，目前尚处于探索阶段；反应路径综合 及反应器网络综合起步较晚，无论从深度和广度上看，研究工作远不充分。 近年来，随着过程综合研究的深入，技术工具不断丰富，研究范围逐渐扩大，根据 换热器网络研究的深入发展以及与质量交换网络研究的相似性，将许多换热器网络的研 究方法应用在质量交换网络，推动了质量交换网络综合的快速发展。随着人们对过程物 流的重视和废物组分的传质操作过程在环境保护方面的重要性，质量交换网络综合必将 成为研究的重点并趋向于成熟。 1 2 质量交换网络综合的内容 质量交换网络综合的概念最早是由e 1 。h a l w a g i 和m a n o u s i o u t h a k i s 6 在1 9 8 9 年提出 的。质量交换网络综合是指对于已有的废物流股或污染物流股( 富流股) ，通过各种质 量交换操作，用能够接受该污染物的流股( 贫流股) 与之逆流直接接触，综合得到一个 质量交换网络，使之能在满足质量平衡、环境限制、安全和费用最小等约束条件下，有 选择性地将废物或污染物除去。其示意图如图1 1 所示。 富流股 广= 9 7 i - - i “2 “ 贫流股( 质量分离荆) ，；“”胪l ，2 ，略) ， 妒“j 产1 ，2 ，舳 = o ，刎i 卢l ，2 ，, n r ) 图1 1 质量交换网络示意图 f i g i i s k e t c hm a po f m a s se x c h a n g en e t w o r k s - 4 - 大连理工大学硕七学位论文 富流股指的是富含特定物质的过程流股，对于污染或预防问题来说，富流股中的特 定物质就是指在后面的操作中所要除去的污染物或废物。贫流股指的是接受富流股中废 物或污染物的流股，它可以是过程流股，也可以是外加的质量分离剂，如吸附剂、萃取剂 等。 质量交换器是指使用质量分离剂进行逆流直接接触的质量传递操作单元。质量交换 操作包括吸收、解吸、吸附、萃取、沥滤和离子交换等操作。 贫、富流股问的浓度差反映了传质推动力的大小，最小浓度差是指为了避免传质操 作中出现无限大的质量交换器，在流股的操作浓度和极限平衡浓度之间设定一个最小 值，称为最小浓度差。最小浓度差的概念类似于换热网络中的最小传热温差。 如图1 1 所示，有一系列待处理的目标物质流股( 富流股) ，其初始浓度为 矿( 芦1 ，2 ，以一定的流率进入质量交换器与初始浓度为矿( = l ，2 ，的质量分 离剂( 贫流股) 逆流直接接触，在传质单元内贫流股和富流股由于存在浓度梯度而发生 了目标物质的质量传递。富流股的出1 2 1 组成为y ，贫流股的出口浓度为x j o “，其传递 质量的多少由富流股i 和贫流股，之间的平衡关系来决定。在进行计算时，假设两个接 触流股中的污染物的传递是相互独立的，即贫、富流股蠹j 的其它物质的存在并不影响目 标物质的转移，它们之间的平衡关系是线性化的： 只= 拂u 工；+ 6 ， o = 1 , 2 ，n r ；，= l ，2 ，n s ) ( 1 1 ) 式1 1 中m l 和。，是常数，其值取决于贫、富流股本身的性质以及操作条件( 如温 度、压力) 。若, 一j 个b 富流股的污染物初始浓度为弘，由式( 1 1 ) 可知，贫流股( 质量分离 剂) 中所能达到的最大浓度为而。随着目标物质的传递，对应的推动力将越来越小。接 近终点时，对应的推动力是零，这时需要使用无限多的传质平衡级数才能达到分离要求。 从费用最小化的目标考虑，必须避免这种情况，这就需要一个正推动力，称之为“最小 浓度差”，符号为8 ，相当于换热网络的最小传热温差i 。这时，贫、富流股之间的 传质平衡方程可表示为： y l = 镌( x j 4 - 8 1 ) + 龟 ( 1 2 ) s 。，是一组优化变量，它的取值直接影响处理过程操作费用和投资费用的大小，当最 小浓度差增大时，处理过程的操作费用会增加，而设备的投资费用会降低；反之，当最 小浓度差减小时，操作费用减小而设备投资费用会增大。因此在优化过程中应该优化最 小浓度差的值来得到过程总费用最小。 要想达到我们设计的目标最小年度总费用，就必须考虑影响总费用最小的各种 因素，在实际生产中，除传质组分和流股本身的特性以及最小浓度差8 外，温度和压力 费用最小的质量交换网络综合研究 对贫、富流股问传质平衡的影响很大。因此，如果一个生产过程在可行的操作范围内， 温度和压力发生变化时，组分在流股间的传质平衡也就发生了变化。这种情况下，必须 考虑温度和压力的变化对传质平衡方程的影响，温度和压力的调节要通过权衡过程的投 资费用和操作费用的方法来决定，即向着年度总费用最小的目标去确定实际生产操作过 程的温度和压力的值。 1 ，3 质量交换网络综合的研究进展 质量交换网络综合提出的最初动机是预防污染和废物最小化。e 1 h a l w a g i 和 m a n o u s i o u t h a k i s 6 1 通过研究发现质量交换网络和换热网络在系统水平上有非常大的相似 性，首先提出了质量交换网络的概念，推动了质量交换网络的发展。 e 1 h a l w a g i 等在提出质量交换网络综合概念的同时，将换热网络的夹点分析方法应 用在质量交换网络的优化设计中【6 j ，将换热网络温焓图用质量交换网络的质量夹点图代 替，图中的纵坐标由原来的焓变为污染物的传质负荷，横坐标由原来的温度变为各个流 股的浓度。用得到的质量夹点图作指导，选用合适的质量分离剂除去过程富流股中的污 染物，质量分离剂主要包括萃取剂、吸收剂、气提剂和离子交换树脂等。在考虑了以降 低总费用作为目标的前提下，e 1 h a l w a g i 等 7 1 随后研究了包含贫流股再生的质量交换网 络综合问题，并在引入最小浓度差的概念的基础上，提出了系统地解决综合问题的方法， 用基于夹点的方法首先匹配网络结构，求出最小贫流股的使用量，得到初始网络，然后 在此基础上采用松弛方法，以质量交换器数最少为目标，减少传质设备单元数，简化初 始网络。采用基于夹点技术的方法，能够解决多组分过程综合问题。e 1 h a l w a g i 等利用 实例说明了处理多组分过程综合问题的方法，他们首先找出多组分问题中的关键组分， 然后利用关键组分设计质量交换网络中贫、富流股的相互匹配情况，然后再将得到的网 络结构进行验证，看是否满足其它组分的传质要求，从而得到优化的网络设计。2 0 0 0 年，h a l l a l ea n df r a s d 8 。】提出用塔板数作为投资费用的评价目标，更真实地反映过程本 质，该方法基于夹点技术，首先作出贫、富流股的组合曲线，找出过程的夹点位置，然 后对于每一个贫流股用y - x 浓度曲线分间隔进行分析，在每一个间隔内，使用 m c c a b e t h i e l e 提供的图解法【1 2 】求出间隔对应的理论板层数，通过对实例的计算，验证 了该方法能有效降低质量交换网络的年度总费用。 与此同时，伴随反应的质量交换网络和热致分离网络问题的研究也取得了一定的进 展。在吸收过程中，化学吸收占有非常重要的比例，因此e 1 h a l w a g i 和s r i n i v a s l l 3 】将质 量传递方程和化学反应平衡相结合，对伴随反应的质量交换网络进行了研究；质量交换 过程中不可避免地会有热量的交换和传质温度的优化问题，s r i n i v a s 和e 1 h a l w a # tj 4 着 一6 一 ：赶连理工大学硕士学位论文 重探讨了同时考虑热量和质量交换的网络综合闯题，得到了流股间的最佳质量交换温度 及相应的优化网络。鉴于能量分离剂( e n e r g ys e p a r a t i n ga g e n t ，e s a ) 与流股是i 日j 接接 触，在环境方面与质量分离剂相比有着明显的优势，e 1 h a l w a g i 等【1 5 i 又弓i a t 热致分离 网络综合的问题，将质量分离的任务通过热量交换转化为相变化的问题来完成，如借助 结晶过程除去污染物等操作。 为实现在工艺过程内部减少废物产生，达到有效利用原料的目的，1 9 9 6 年， e 1 h a l w a # 等提出废物截断( i n t e r c e p t i o n ) 的概念【嘲，并形成废物截断分配网络( w a s t e i n t e r c e p t i o na n d a l l o c a f i o i l n e t w o r k s ，w i n s ) 综合问题，并构造了两个实用的图形工具， 建立了同时处理气相和液相废物的整体框架，这是m e n 发展的一个重大进展：随后， e 1 - h a l w a g i 及其合作者1 1 7 - 1 9 1 在m e n 和w i n 的基础上系统地提出了质量集成的工具和策 略，逐步建立了质量集成框架，为处理环境和其它问题提供了更广阔的视野。h a l l a l e 和 f r a s e r 2 0 1 建立了以投资费用为目标的质量交换网络的数学模型，引入用水最小化的例子 验证了该方法的可行性。b a g a j e w i c z 和r o b e r tp h a m 等1 2 1 - 2 2 1 将状态空间法应用于换热器 网络和质量交换网络的优化设计，他们将网络分解为交互式的分配网络和过程算子，在 分配网络中，从过程算子循环回去的流股被分割成若干个流股，每一个被分割的子流股 可以跟任意流股混合形成新的过程流股，这些流股在过程算子中逆流直接接触进行质量 传递，然后通过优化分配网络和过程算子对网络的效率进行优化设计。马蔚钧和胡山鹰 等【2 3 l 采用不对称算子和费用指数加速了状态空间法的选择过程，提高了处理过程的效 率。 为了使质量交换网络更接近于实际应用，质量交换网络的操作弹性问题也被深入研 究。p a p a l e x a d r i 和p i s t i k o p o t l l o s l 2 4 】针对质量交换网络和换热网络综合的操作弹性问题， 将流股的流率、进口浓度和温度等看作可变化的参数，使用统一的超结构模型考虑质量 交换网络和换热网络中流股的所有可能的匹配方案，开发了分阶段的混合整数非线性规 划模型，通过对参数的调整来权衡投资费用和操作费用，有效地得到了质量交换网络和 换热网络综合的优化匹配结构。z h u 和e 1 h a l w a g i t 2 5 】也对质量交换网络综合的操作弹性 问题进行了深入研究。g u p t a 和m a n o u s i o u t h a k i s l 2 6 - 2 7 1 考虑了发生流股进出口浓度变化 的情况，认为这比固定浓度的m e n 更能节省公用工程成本；w i l s o na n d m a r t o u s i o u t h a k i s t 2 s ! 从m e n 最基本元素一单一质量交换操作入手，研究了多组分网络设 计的问题，为普遍的m e n 设计提供必要的基础理解，从计算上有助于网络调优。 e 1 h a l w a g i 等人1 19 2 9 ，3 0 】针对多组分挥发性有机化合物( v o c s ) 废物回收问题进行研究， 总结出连续组分( 如烃类连续挥发物和原油组分等) 的质量集成策略。张健和陈丙珍等 3 1 - 3 2 1 对复杂流程工业系统进行了优化综合和柔性分析，指出混合整数非线性规划模型 费用最小的质鼍交换网络综合研究 ( m i n l p ) 在优化综合与柔性分析中起着重要作用，其表示方法有两种：代数法和逻辑 法，逻辑法在模型表达与求解方面有很多优点。m i n l p 模型中还可以集成启发性知识， 也就是工作经验，以加快求解速度，并使结果更加合理。对于凸的m i n l p 问题，目前 比较成熟的算法有主要包括分支界定法、外近似法和广义b e n d e r 函数法，对于逻辑型 的m i n l p 模型，可以用逻辑型的外近似法进行求解。c h e n g - l i a n gc h e n 和p i n g - s u n g h u n 9 1 3 3 l 研究了换热网络和质量交换网络的柔性分析问题，提出的处理方法包括三个主 要的迭代步骤：( 1 ) 根据有限的操作条件综合一个带有最小总年度费用的各选网络； ( 2 ) 在预计的操作范围内会随机生成大量不确定参数，在不考虑尺寸限制的条件下执 行柔性测试以校验当前的备选网络对于这些参数是否可操作；当通过模拟证明网络结构 不可执行时，添加最大程度偏离备选网络限制的测试点，然后再次返回步骤( 1 ) 来综 合一个新的备选结构；( 3 ) 考虑以前忽略的尺寸限制，对通过步骤( 2 ) 得到的网络执 行柔性测试，并且在必要时增加换热单元尺寸。这些设计步骤有可能要求一些迭代以使 结果更可靠。该文章引用数字化的例子验证了上面提出的方法对于柔性换热网络与质量 交换网络综合的适用性。 h a m a d 和e 1 h a l w a g i l 3 4 】将基团贡献法合成分子的微观概念引入到w i n s 中，同时综 合m s a 和物质截断，扩大了w i n s 的研究范围；l a k s h m a n a n 和b i e g l e r t 3 s l 将反应器网络 综合技术与m e n 概念集成在一起，与其他过程约束同时求解来实现过程流程的质量集 成：李绍军和阳永荣 3 q 以年度总费用最小作为目标函数，在综合过程中同时考虑操作费 用和投资费用，用改进的遗传算法计算建立的质量交换网络综合的数学模型，证明了遗 传算法在求解无分流质量交换网络数学模型的可行性。王江峰等p7 】尝试应用模糊数学对 多目标的优化问题进行评价，有效地模拟了多目标决策的过程，还提出了多目标模糊评 价遗传算法求解多目标的优化问题，通过对实例的求解证明了该方法可以得到非劣解集 合，并可以对非劣解集合中的个体区分出优劣，证明了其解决工程实际问题的有效性。 c h e n g l i a n gc h e n 和p i n g - s u n gh u n g 【3 8 1 借鉴分级超结构在换热器网络中的应用( 3 删，将 其用于质量交换网络综合中，建立了相应的数学模型，并且用g a m s 数学软件进行了 求解。 很多学者还对特殊质量交换网络问题废水最小化问题进行了深入的研究。 w a n g 和s m i t h t 4 卜4 ，j 将夹点技术应用于废水问题上，形成了系统的水夹点技术； a l v a - a r g a e z 等1 4 “5 l 通过对水的分割循环，实现了富流股流量一定条件下的废水最小化； c a s t r o 等脚】建立了多夹点的概念，采用问题表格限制用水组合曲线和水源图，最大限度 地实现了水的再利用：s a v e l s k i 和b a g a j e w i c z | 4 7 为了克服以上方法的种种不足，建立了 用水操作的超结构模型，并采用数学规划法来确定最优的用水网络结构。李英【4 8 1 对废水 大连理工大学硕士学位论文 最小化的过程集成方法进行了研究，提出了将用水网络和废水治理网络同步设计，既进 一步减少新鲜水的用量和废水的排放量，又可以减少废水的治理费用。都健等【4 9 l 对用能 与用水同时最小化的过程综合方法进行了研究，将水网络中的用能与用水同时最小化的 多目标优化通过问题分解转化为单目标优化，将多杂质问题转化为单一关键杂质用水操 作的最小新鲜水流量问题，通过水夹点分析方法，得到优化的水网络考虑用水单元的 操作温度，对水网络进行能量集成，最终得到用水和用能同时集成的优化的水网络。 k o p p o 和b a g a j e w i c z 等1 5 0 j 在2 0 0 3 年提出了在不同的过程工业中实现零排放量的可行 性决策，引入四个实例证明了使用末端治理或者再生等方案的费用与新鲜水的费用之间 的关系是实现零排放可行性的决定性因索。c u l l m e r 等 5 1 1 在2 0 0 5 年提出了一种可应用 于过程工业水网络的集成方法，它的目标是权衡多杂质水网络优化综合问题中的各种再 生、再利用方案，这种方法基于启发式的规则计算实际的优化问题建立的混合整数非线 性规划模型。冯霄等 5 2 j ( 2 0 0 7 ) 建立了一个数学模型可以同步优化水分配网络和换热器 网络，还分析了近年来的过程水系统集成方法，主要包括水夹点技术、数学规划法和中 闻水道技术，指出了这3 种水网络优化技术的特点及优缺点，并通过个例子对这3 种 方法进行了比较，最后对水系统集成方法的发展作出展望。 质量交换网络综合最初用于废物处理方式的最优选择，现在广泛地应用于进料预处 理、产品分离及精制和有用物质的回收等方面。近年来，它的应用则主要侧重于工业过 程的废物最小化f 7 5 3 , 堋，即将污染物的处理费用降低，而且还必须达到处理的标准。高 瑛 5 5 j 通过过程集成和多目标优化方法对过程的废物最小化问题进行了研究，将环境影响 因素和过程的消耗费用同时考虑，利用多目标遗传算法求解建立的数学模型，从而得到 了废物最小化且环境污染小的质量交换网络。薛东峰【5 6 】建立了化工过程废物最小化的质 量集成框架，并且在分析过程的单元选择、过程截断和循环操作等超结构数学模型基础 上，应用目标设定和数学规划相结合的方法，对过程的质量集成进行超结构建模研究， 并对比末端治理、过程中间处理和质量集成方案，阐明了质量集成对提高过程效率的意 义。陈启石和冯霄1 5 7 1 ( 2 0 0 5 ) 指出系统化的废物最小化方法对于环境友好且具有竞争力 的化工过程的研发、综合、设计和改造具有非常重要的指导作用，介绍了废物最小化的 一般原则，综述了目前国内外各类系统的废物最小化方法，包括定性类方法如分层决策 法、环境优化技术法、结构化法及3 e s 法等，定量类方法如各种数学优化法、夹点分析 法、废物削减算法以及人工智能法及组合式方法。 质量交换网络中组分在流股间的传质浓度差( s ) 是为了避免操作过程使用无限多的 传质平衡级数而引入的。它的大小直接影响到过程的操作费用和投资费用，因此，优化 操作过程传质的最小浓度差可得到年度总费用最小的质量交换网络。e 1 h a l w a g i 等【6 l 曾 费用最小的质量交换网络综合研究 以类似于换热器网络的夹点设计法，使用浓度一质量交换图法对过程的流股进行了匹配 传质，得到了优化的质量交换网络，在计算时，他们假设组分在贫、富流股间的传质浓 度差的值是一个固定值，p = o 0 0 0 1 。随后，他们( 1 9 9 0 ) 采用基于夹点技术的浓度间 隔表法【7 l 对贫、富流股对应的一组浓度差进行了优化，但这一方法先以操作费用最小为 目标进行优化，然后再以传质单元数最少为目标优化网络结构，使