（应用化学专业论文）热（火用）价格模型的研究及在精馏过程综合中的应用.pdf

摘要 热焖价格模型的研究及在精馏过程综合中的应用 摘要 分离过程开发和优化设计对过程工业具有重要意义。分离过程是以消耗能量 为主要特征的过程，其优化设计本质上是能量和经济权衡的优化，而选择合适的 目标函数是进行这种权衡优化的重要基础。目前的经济目标或炯经济目标，在确 定原料、产品价格时通常是将单价作为常数留给用户来定，人为因素较大，因此 建立一个合理的能量经济权衡的目标函数，对分离过程综合的研究具有重要意 义。 炯经济学是工程热物理学科的重要研究领域，它是建立在严格的热力学理论 基础之上的，是解决能量和经济权衡优化的重要方法。本论文把媚经济学分析应 用于多组分精馏系统综合这一传统的化工研究领域。论文的研究主要集中在以下 几个方面： l ，基于炯平衡及焖费用平衡方程，以燃料价格与电价作为基准，提出了热 焖价格模型的4 个基本假设：焖价值平衡：炯损耗不计价；一次能源和电 的价格取为常数，作为计价的标准；工艺物流的热媚不计价。然后进一步确定 一般品级的蒸气、热水、热媒的价格，并据此提出了蒸气、热水、热媒和工艺物 流的热炯价格模型方案。 模型表明：热炯价格不是一个常数，其强烈依赖于相应的能量转换过程。热 电联产系统生产的蒸气的炯价随着温度的升高而升高，这与我们一般的物价意识 一致，即优质优价。但锅炉生产的蒸气或热水炯价随着温度的升高反而降低，这 一点虽然与一般意义上优质优价的认识不一致，但它是合理的。合理性就表现在 当有多种热炯可供选择时，应该选择品位合适且最便宜的焖流，从整体上取得节 能的效果。 2 ，本文基于以炯经济作为目标函数的研究方法，把分离过程综合问题表述 为一个混合整数非线性规划问题，探索随机搜索策略下各种流程方案的更有效的 结构。结果表明以炯经济为目标优化分离过程综合问题，若采用不同的公用工程， 所得到的最优精馏流程也不同，可以从众多的分离方案中得到更为合理的精馏流 程结构方案。最优流程结构的分离序列和塔数据可为工厂的设计提供有意义的参 中国海洋大学硕士学位论文 考。 ( 1 ) ，研究了采用一种公用工程的精馏系统综合问题。基于热焖价格模型，本 文选取了六种公用工程分别研究了五组分的简单塔( 包括没有热集成的和有热集 成的) ，结果表明有热集成的简单塔比没有热集成的简单塔平均节约约2 3 的费 用，并且优化分离顺序( 不考虑热集成) 和优化热集成序列之间存在着耦合行为； 另外还研究了以高压锅炉热电联产的蒸汽作为公用工程的五组分复杂精馏 系统。在所有方案中，同时考虑热偶合和热集成的结构的费用为最小( 操作费用 最少，设备费用稍高) ，它比最优的简单塔序列节约费用约3 0 。 ( 2 ) ，研究了采用多品种公用工程的精馏系统综合问题。作者提出了一种搜索 最优公用工程的方法，运用此方法研究了采用三种公用工程组合的十组分简单精 馏系统综合问题，结果表明相对于采用一种热公用工程的精馏系统，采用多公用 工程的精馏序列虽然并不节能但是却节约了系统的总费用约4 ，这说明节能并 不一定节约费用，因此作者认为本文以炯经济为目标优化分离过程综合问题得到 的精馏流程结构方案更加合理； 另外还研究了采用三种公用工程组合的五组分复杂精馏系统综合问题，结果 表明对于复杂精馏问题，采用多公用工程组合同样可以节约一定的费用。 关键词：媚价；精馏过程综合；分离序列 摘要 r e s e a r c ha n da p p ii c a t i o no nm o d e iso ft h e r m a ie x e r g y p r i c eins y n t h e s iso fd is t iii a t i o np r o c e s s a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no p t i m i z a t i o no fs e p a r a t i o np r o c e s ss y s t e ma r ev e r y i m p o r t a n tt ot h ep r o c e s si n d u s t r y e n e r g yc o n s u m p t i o ni st h el e a d i n gc h a r a c t e ro f s e p a r a t i n gp r o c e s sw h o s e e s s e n c eo f d e s i g no p t i m i z a t i o ni st h eo p t i m i z a t i o no f t h e b a l a n c eb e t w e e ne n e r g ya n de c o n o m i c s e l e c t i n ga na p p r o p r i a t eo b j e c t i v ei st h e f o u n d a t i o no f t h i sk i n do f o p t i m i z a t i o n a tp r e s e n t ，i ti ss u b j e c t i v et h a tt h eu n i tp r i c e s o fr a wm a t e r i a la n dp r o d u c t si ne c o n o m i co re x e r g o e c o n o m i co b j e c t i v ea r ed e c i d e db y u s e r s t h e r e f o r e ，b u i l d i n ga na p p r o p r i a t eo b j e c t i v eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h e r e s e a r c ho fs e p a r a t i o np r o c e s ss y n t h e s i s e x e r g o e c o n o m i c si sav e r yi m p o r t a n tr e a l mo f e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c sa n d b a s eo ns t r i c tt h e r m o d y n a m i c st h e o r i e s f u r t h e r m o r e ，i ti sam a i n m e t h o dt od e a lw i t h b a l a n c eb e t w e e ne n e r g ya n de c o n o m i c sw h o s em a i nr e s e a r c ho b j e c ti st h e r m a ls y s t e m i nt h i sp a p e r , e x e r g o e c o n o m i ca n a l y s i si sa p p l i e dt om u l t i c o m p o n e n t sd i s t i l l a t i o n p r o c e s ss y n t h e s i sw h i c hi sc o n v e n t i o n a lr e a l mo fc h e m i c a le n g i n e e r i n g m o d e l b u i l d i n go fe x e r g yp r i c ei st h ef i r s ts t e po ft h er e s e a r c h i ti sm a i n l yb a s e do nt h e f o l l o w i n g s ： 1 i nt h i sa r t i c l e ，b a s i n go ne x e r g yb a l a n c ea n de x e r g yc o s tb a l a n c ee q u a t i o n ， c o n s i d e r i n gt h ep r i c eo ff u e la n dp o w e rw ep u tf o r w a r df o u rb a s i cs u p p o s i t i o n sa b o u t t h em o d e lo f t h e r m a le x e r g yp r i c e ： e x e r g yc o s tb a l a n c e ；t h ec o s to f e x e r g y d e s t r u c t i o ni sz e r o ： t h ep r i c eo f p r i m i t i v ee n e r g ya n dp o w e ra r ec o n s t a n t s ； t h e p r i c eo f p r o c e s sm a t e r i a lf l o w si sz e r o t h ee c o n o m i cf a c t o ra n dc h a n g e so f q u a n t i t i e s a n dq u a l i t i e sa r ec o n s i d e r e di nt h e s es u p p o s i t i o n s a d d i t i o n a l l y , u s i n gt h ea b o v ef o u r s u p p o s i t i o n s ，w ep u tf o r w a r dt h es c h e m eo f t h e r m a le x e r g yp r i c em o d e la b o u ts t e a m ， h o tw a t e r , h e a t - m e d i u ma n dp r o c e s sm a t e r i a lf l o w t h em o d e l si n d i c a t e ：t h ep r i c eo fe x e r g yi sn o tac o n s t a n ta n di ss t r o n g l yr e l a t e d t oc o n v e r s i o np r o c e s s t h ep r i c eo f s t e a mf r o mc o g e n e r a t i o ns y s t e mh a sad i r e c t p r o p o r t i o nt ot e m p e r a t u r eo f t h es t e a m ，w h i c ha c c o r d e dw i t ho r d i n a r yp r i c er o l e w h i l et h ep r i c eo fs t e a mf r o mb o i l e rs y s t e mh a sa ni n v e r s ep r o p o r t i o nw h i c hn o t a c c o r d e dw i t ho r d i n a r yp r i c er u l e ，b u ti ti sr a t i o n a l t h er a t i o n a l i t yi st h a tt h ec h e a p e s t i 一 中国海洋大学硕士学位论文 e x e r g yf l o ws h o u l db es e l e c t e dw h e nt h e r ei sac h o i c e t h e ne n e r g ys a v i n ge f f e c tw i l l a c h i e v e da saw h o l e 2 b a s i n g o nt h em e t h o dt h a tt h eo b j e c t i v eo f s y s t e mi se x e r g o e c o n o m i cc o s t ，t h i s p a p e rf o r m u l a t ea ni m p r o v e dm i x e di n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lf o ra d i s t i l l a t i o ns y s t e m ss y n t h e s i s i na d d i t i o n ，u s i n ga ni m p r o v e ds i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h ms e v e r a lp r o b l e m so f d i s t i l l a t i o ns y s t e m ss y n t h e s i sw h i c ha r et os e p a r a t ea m i x t u r ea r eo p t i m i z e d 、i t l le x e r g o e c o n o m i c so b j e c t i v eb a s i n go nt h es c h e m eo f t h e r m a le x e r g yp r i c em o d e lt h a tw a sp u tf o r w a r db yu s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e a r ed i f f e r e n tf r a m e w o r k so f d i s t i l l a t i o ns y s t e m sw h e nd i f f e r e n tu t i l i t i e sa r ea d o p t e d t h em o s tr a t i o n a lf r a m e w o r ko f d i s t i l l a t i o ns y s t e m sc a l lb eg o tf r o mm a n yd i s t i l l a t i o n s c h e m e sb yo p t i m i z i n gd i s t i l l a t i o ns y s t e m ss y n t h e s i sw i t ha ne x e r g o e c o n o m i c o b j e c t i v e ，a n dt h ef r a m e w o r ka n dd a t ao f d i s t i l l a t i o ns y s t e m sw i l lb eh e l p f u lf o r d e s i g no faf a c t o r y ( 1 ) ap r o b l e mo f t h ed i s t i l l a t i o ns y s t e m ss y n t h e s i sw i t l lo n ek i n do f u t i l i t yi s s t u d i e d t h ed i s t i l l a t i o ns y s t e m so f f i v ec o m p o s i t i o n st h a to n l ya l l o we x i s t e n c eo f s i m p l ec o l u m n s ( n o ti n t e g r a t e da n di n t e g r a t e d ) w i t ho n ek i n du t i l i t ya r es t u d i e dw h e n s i xk i n du t i l i t i e sa r es e l e c t e db yu s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh e a t i n t e g r a t e ds i m p i e c o l u m n sc a ns a v ee c o n o m i cb e n e f i ta b o u t2 3 m o r et h a nt h a to f t h en o ti n t e g r a t e d s i m p l ec o l m n n sa n d t h e r ei st r a d e o f f b e t w e e nn o th e a t i n t e g r a t e ds i m p l ec o l u m n sa n d h e a t i n t e g r a t e ds i m p l ec o l u n m s i na d d i t i o n ，t h ed i s t i l l a t i o ns y s t e m so f f i v ec o m p o s i t i o n sw h i c ha l l o wc o e x i s t e n c e o f s i m p l ec o l u m n s ，p r e f r a c t i o n a t o rc o l u m n s ，c o m p l e sc o l u m n s 惭t 1 1t h e r m a l l yc o u p l e d s i d e - - s t r i p p e ra n ds i d e - r e c t i f i e r , f u l l yt h e r m a lc o u p l i n gc o l u m n sa sw e l la s h e a t i n t e g r a t i o n sb e t w e e nt h e s ec o l u m nw i t l lo n ek i n du t i l i t ya r es t u d i e d i nt h ea l l s c h e m e s ，t h ed i s t i l l a t i o ns y s t e mc o n s i d e r i n gb o t ht h e r m a lc o u p l i n ga n d h e a t i n t e g r a t i o nh a st h eb e s te f f e c to fe c o n o m i cb e n e f i t ，a n dc a ns a v ee c o n o m i c b e n e f i ta b o u t2 3 m o r et h a nt h a to f t h eo p t i m a ls i m p l ec o l u m n ss y s t e m ( 2 ) ap r o b l e mo f t h ed i s t i l l a t i o ns y s t e m s s y n t h e s i st h a ta l l o wc o e x i s t e n c eo f s e v e r a lk i n du t i l i t i e si ss t u d i e d n ea u t h o rp r e s e n tam e t h o dt os e a r c ht h eo p t i m a l u t i l i t y , w i t hw h i c had i s t i l l a t i o ns y s t e m ss y n t h e s i sp r o b l e mo fs i m p l ec o l u m n sw i t ht e n c o m p o s i t i o n si ss t u d i e dw h e nt h e r ei so n ek i n do fu t i l i t ya n dw h e nt h e r ea r et h r e e k i n d so f u t i l i t i e s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed i s t i l l a t i o ns y s t e m st h a ta l l o w c o e x i s t e n c eo f s e v e r a lk i n du t i l i t i e ss a v ee c o n o m i cb e n e f i ta b o u t4 b u tn o ts a v e i i - 摘要 e n e r g ym o r et h a nt h a to f h ed i s t i l l a t i o ns y s t e m st h a to n l ya l l o we x i s t e n c eo f o n ek i n d u t i l i t y i ts h o w st h a ts a v i n ge n e r g yd o e s n tp r e d i c a t es a v i n ge c o n o m i cb e n e f i t t h e r e f o r e ，w eb e l i e v et h a tt h eo p t i m a ld i s t i l l a t i o ns c h e m ew i t he x e r g o e c o n o m i c s o b j e c t i v ei sm o r er a t i o n a l f u r t h e r m o r e ，ad i s t i l l a t i o ns y s t e m ss y n t h e s i sp r o b l e mo f c o m p l e xc o l u m n si sa l s o s t u d i e dw h e nt h e r ea r et h r e ek i n d so f u t i l i t i e s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed i s t i l l a t i o n s y s t e m st h a ta l l o wc o e x i s t e n c eo fs e v e r a lk i n du t i l i t i e sc a na l s os a v es o m ee c o n o m i c b e n e f i t k e y w o r d s ：e x e r g yp r i c e ；d i s t i l l a t i o ns y s t e m ss y n t h e s i s ；s e p a r a t i o ns e q u e n c e i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 掘我所知，除了文中特y ，, j , b n 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 过的研究成果，也不包含未获得 ! 壁! 塑遗直墓丝孟塞鉴别壹塑 的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 纪舍眵 签字日期： 学位论文版权使用授权书 生一兰! 卫一 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：讥余零导师签字 嘲职携 签字日期：如一6 年6 月6 目签字日期：弘。5 年6 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 热堋价格模型的研究及在精馏过程综合中的应用 0 前言 随着国民经济的不断发展，对于能源的需求也日益增长。统计数据表明，能 源消耗量的增长率与国民生产总值的增长率接近正比的关系，能源的不足将会严 重制约着国民经济的发展。针对我国能源紧张的问题，国家制定了“坚持开发与 节能并重，把节约放在突出的位置”的方针政策。 精馏过程是一类重要的化工过程系统，石油、化工、医药、食品、冶金、能 源、环保等流程工业装置都包含分离过程。精馏只需要提供能量和冷却剂就能得 到高纯度的产品，操作比较简单，一般比较经济，因此成为石油和化工等过程工 业中应用最广的分离操作。据估计，9 0 9 5 的产品提纯和回收由精馏来实现。 然而，正是因为精馏的实现需要以能量作为过程进行的推动力，其能量消耗在整 个过程工业中占有重要的位置。有人估计分离过程的能耗大约占整个化学工业用 能的4 0 ，而其中9 5 是蒸馏过程消耗的。美国曾经统计全国4 0 ，0 0 0 多个精馏 塔所消耗的能量相当于每天1 9 亿升石油，几乎占全国能耗的3 。因此，精馏 过程的节能具有非常重要的意义。 一个装置中分离过程技术水平的高低不仅影响产品的质量，而且影响原料能 量消耗和环境效应，并且在很大程度上决定装置的经济效益。据分析，装置中分 离过程的投资和能耗占总投资和总能耗分别在5 0 9 0 和7 5 以上。过程技术水 平的高低主要取决于过程设计的水平。一般而言，一套装置的经济效益，在设计 阶段可能有3 0 以上的改进空间，而在运行阶段只可能有5 2 0 的改进空间。 用以指导过程设计的过程综合的研究和广泛应用有力地推动了分离过程技术水 平在近二十年来的不断提高。改革开放以来，我国的分离过程技术也取得了很大 进步，但与发达国家相比，无论在学术研究上还是在工程应用上都存在较大差距。 因此加快分离过程综合的研究和工程技术开发，用先进的过程技术改造传统产 业，对于我国的流程工业的健康发展是非常必要和迫切的。 炯经济分析是工程热物理学科的重要研究领域，其研究的对象主要是热力系 统。一般来说对于一个工程系统的技术方案的最终决策，除了在技术上优越还必 须在经济上合理，而焖经济学分析就兼而考虑技术和经济两方面的因素进行优 化，提供技术经济决策的依据。基于以上原因，论文把焖经济分析应用于多组 中国海洋大学硕士学位论文 分精馏系统综合这一传统的化工研究领域，整体工作从模型的建立展开。 热炯价格模型的研究及在糙馏过程综台中的应用 1 文献综述 1 1 炯经济学在国内外的研究进展 炯经济学是本世纪5 0 年代末至6 0 年代初兴起的一门研究热力系统经济运转 的应用性新兴学科，也是热力学与经济学和系统工程学结合而产生的一门交叉学 科。 i 1 1 国外在炯经济学领域的研究 与其它的学科一样，煳经济学的研究呈现出不同的学派，不同的模式以及不 同的方法论。王加旋( 1 9 9 5 ) 分别对不同时期的研究进展有过比较系统的综述。 最早的是m t r i b u s 学派的孤立化模式热经济学，m t r i b u s 首先倡导通过系 统逐个寻优达到全局最优的目的，为此必须具备各子系统之间在热经济上孤立化 的条件爿+ 不违背“系统的各个局部全为最优意味着系统全局最优”的原则。 m t r i b u s 的学生r - e v a n s 还作了热经济学孤立化原理的数学论证，因此，后人就 将此第一次出现的热经济学名之为“孤立化”模式的热经济学。 美国的g a g g i o l i ( 1 9 6 1 ) 仓qc r t 代数模式热经济学。后来b a y e r s 花了1 0 年 ( 1 9 7 0 1 9 7 9 ) 开发了结构法( b e r i ，1 9 9 9 ) ，k o t a s 把它应用到热力系统的分析并创 造了结构键、外部键( c s b ，c e b ) 两个系数，因而出现了结构系数模式热经济学。 雅典大学的c f r a n g p o l o u s 在英国乔治亚大学由e v a n s 指导论文时开发了热 经济学功能分析法而形成了功能模式热经济学( v a l e r o a ，s r r al ，l o z a n o ，1 9 9 3 ) 。 波兰的m v o ns p a k o u v s k y 开发的工程功能模式与c f r a n g p o l o u s ( 1 9 9 9 ) 的相 差无几。前苏联的v m b r o d y s k y 的炯技术一经济模式是在前苏联通用的技术一经 济比较法的基础上以焖平衡代替能平衡而形成的。 波兰的s z a r g u t 开发了累积煳方法用于热经济学也形成了自己的模式，加上 a v a l e r o 等人开发的炯成本理论( v a l e r o ，1 9 8 9 ，1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) ，又在此基础上开发了 符号炯经济学以及扰动理论等总计不下1 0 种模式。 v a l e r o 与t s a t s a r o n i s 合作，特别是在炯成本和煳定价法则的方面取得了进 展，如共同发表的“l i f o 法则”。a n d r e al a z z a r e t t o 与t s a t s a r o n i s ( 1 9 9 7 ) 合写的 论文“o nt h eq u e s tf o ro b j e c t i v ee q u a t i o n si ne x e r g yc o s t i n g ”文中又提出“a v c o 法则”。 中国海洋大学硕士学位论文 1 1 2 国内在炯经济学领域的研究 王清照等( 2 0 0 2 ) 将v a l e r o 提出的结构分析法应用于发电厂的用能分析中，华 贲和陈清林等( 2 0 0 0 ) 提出的反向焖计价方法来解决回收炯计价的难题，王加璇 ( 1 9 9 5 ) 等开展了网络热经济学的研究，华贲( 1 9 8 9 ) 等将热经济学应用于过程 系统的分析和优化，并在其提出的过程系统的能量结构三环节模型基础上建立了 严格的炯经济分析模型。 王玲、朱克雄( 华贲，1 9 8 9 ) 等运用五种不同的方法对一个用能系统的电、 热水和冷却水等载能产品进行了炯成本分析，为堋经济学的实用化起了积极的促 进作用，并在经济边界条件的研究方而取得了进展。 冯霄、钱立伦、苏长荪( 1 9 8 5 ) 以及蔡样兴、杨东华( 1 9 8 6 ) 在简单系统热 经济整体优化方面做了一些工作。 陈清林等( 1 9 9 9 ) 从通用的系统优化目标出发阐明了过程焖损耗计价的物理 实质及必要性，并根据过程系统的用能特点，探讨了过程系统三个子系统各自炯 损耗计价的策略，进而导出了每个子系统中炯损耗单价的计算式。 孙家宁等( 2 0 0 3 ) 基于焖平衡及费用平衡方程，探讨了系统的炯损计价和其 费用评价，提出了反映成本主要来源的新的经济因子，结合相关经济学评价指标可 以对能量系统进行详细的分析评价，可以有效评价系统的用能状况，指出系统用能 改进的方向。进一步提出了基于能级分析的能量系统经济评价指标，可以评价系 统能级匹配的经济性能。并以燃气轮机热电联产系统的经济分析改进为实例，验 证了所提出评价方法的有效性。 孙家宁等( 2 0 0 3 ) 将能级的概念引入热经济学计价体系，把供入能流按能级 拆分，依据能级相近最大化相供的原则，解决能量取出与供入间的对应问题，提出 了基于能级相近最大化相供的媚流计价策略，以减少求解过程中所涉及的未知变 量数，说明产品炯流存在时的附加方程引入情况。最后以典型的热电联产系统 ( c g a m 系统) 的炯经济分析优化中炯流计价为例，介绍了该计价方法的应用。 1 2 媚经济学分析优化 布罗章斯基( 1 9 9 7 ) 认为煳分析优化的发展可分为三个层次：第一个层次的 优化为纯热力学优化；第二个层次是热力学与经济因素相结合，即炯经济学优化： 第三个层次是热力学一经济学一生态学相结合的优化。之所以发展成这样的多层次 热焖价格模型的研究及在精馏过程综合中的应用 优化，主要是因为单纯热力学分析只能给出焖耗和烟损及其最优判定，这是热力 学分析固有的局限性，但工程决策的最终依据，还需知道投资、费用以及所能得 到的经济效益等，因此，必须进行技术经济相结合的分析。这种分析是与工程所 必须的总费用计算相联系的，并且最终归结到人工劳务和自然资源的节省上。 1 2 1 纯热力学优化 纯热力学优化的典型例子是对发动机工作过程不可逆损失与外部损失的炯 分析，它评价了燃烧过程中燃料转换为热量的有效量度，建立了相应的燃烧模型 和数学模型，完成焖效率的计算程序，最终用数值分析得到了工作过程中影响炯 效率的各种主要影响因素。毕小平等( 1 9 9 8 ) 应用煳分析法分析了一台汽油机燃 烧过程的热机械能量可用性、化学能量可用性和不可逆性变化率，得出空燃比、 残余废气系数对可用能的影响程度。炯分析合理地解决了质与量并重地分析能量 系统问题，但焖分析只能给出炯损的原因与分布，不能给出确切的炯价、焖成本 及成本形成规律，因此有时会出现炯损小的方案却在经济上不合理的情况。 l - 2 2 炯经济学优化 近年来，焖分析和热经济学结合的方法广泛应用于我国能源规划、热动力、 石油化工、冶金建材等行业。并可对生产过程中能量的转换、传递、使用和损失 情况进行分析，揭示出各部分能量的多少，能量损失的原因和部位，为改进过程， 提高能量利用率等方面找出方法，指明方向。李荣晖等( 2 0 0 1 ) 通过对输油泵站 的炯平衡与能量平衡测试数据的比较，指出了炯经济分析方法的优越性，并根据 测试的结果提出了提高输油泵站能源利用率的一些措施，对指导输油泵站的节能 有定的帮助和借鉴作用。徐剑锋等( 2 0 0 1 ) 应用炯经济分析方法，对火电厂热 力系统进行了诊断，分析了系统中各主要设备和环节的热力学完善性，找出系统 中的薄弱环节，并与使用传统的热平衡法取得的结果进行了比较，为火电厂的运 行优化和节能技改提供了较为科学的依据。 1 3 炯的商品化与价格化 企业是国家的经济组成单元，企业生产作为一种经济活功，在这种经济活动 中，提高效率、降低成本，是企业竞争的根本手段。如何提高效率、降低成本， 需要经过科学的分析与诊断，然后才能采取正确、有效的措施以达到目的。对于 能源消耗来说，这就需要进行能源经济分析，首先就是能源热经济分析。当前， 中国海洋大学硕士学位论文 世界上采用的能源热经济分析方法有三种( 王加旋，1 9 9 5 ) ：能量分析法、炯分 析法和烟经济学分析法。 和煤、电类似，作为能中的“可利用成分”，当物质媚参与经济过程时，便 是商品，具有使用价值，并在使用中消耗，适合于与货币成本相联系。在成本分 析的过程中，使用参数炯显然比使用热量更合理( 宋之平，王加旋，1 9 8 5 ) 。例 如，同等数量的热量( 或蒸汽量) 在不同的状态参数下，品质是不同的，只有参 数j 媚可以全面地描述能量的数量和品质，而能不行，因为商品必须是在经济过程 中是能耗尽者，而不是守恒者。在与经济过程结合中，焖的作用越来越明显，特 别是在未来经济发展中。v a l e r o ( 1 9 8 9 ，1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 的焖成本理论给了我们启迪， 并认为炯分析是确定能量损失的必要手段，但非充分手段，焖平衡是可以确定炯 损在系统各部分上的分布，且还能分析产生过程“因果链”并提出炯成本理论及 “炯成本会计”这个术语，常规炯分析必须加上这一步才能成为充分手段，并确 认重要的不是功能产品所含的炯量，而是烟成本，它是为获得此产品所须付出的 熘量，再加上过程中累积的不可逆损失，因此，炯的价格化是煳分析的必由之路。 这种定价法很有利于分析系统的黑箱法，虽然是一种简化，但并不失去明显 的精度，v a l e r o ( 1 9 8 9 ，1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 等在炯定价( 成本) 上认为，热力学第二定律 所提供的信息是不够的，但是“只要不走出物理学范围”就可以找到答案。 1 4 过程综合 r u d df 1 9 7 3 ) 在六十年代首先提出了过程综合的概念，指的是在一定进出料条 件及相关工艺条件下设计一个在一定意义上为最优的过程系统。到了七十年代， 过程综合成为一个十分活跃的新领域。过程综合的任务是设计一个最优过程系 统，将过程系统分为若干类子系统，便形成若干过程综合的研究方向： ( 1 ) 反应路径的综合 ( 2 ) 分离序列的综合 ( 3 ) 换热网络的综合 ( 4 ) 具有熟集成的分离序列综合，这是能源危机以来兴起的一个热门研究 领域。因为化学工业是能耗最大的工业部门之一，而化工中能耗突出的操作是分 离操作，特别是精馏能耗最大，所以如何合成新的省能分离系统就成为重要问题。 主要节能措施包括：热集成塔系；热泵精馏系统；热耦精馏系统 热堋价格模型的研究及在精馏过程综台中的应用 ( 5 ) 反应器网络的综合 ( 6 ) 全流程综合 1 5 精馏系统过程综合的研究进展 精馏系统过程综合的研究已有三十多年的历史，并形成了比较系统的方法体 系。同其它过程系统综合一样，可根据其研究方法分为经验规则法、进化调优法、 人工智能技术、热力学分析法、数学规划法及随机优化算法等。下面我们通过这 些方法综述对精馏系统综合的研究进展作一简单的了解。 1 5 1 经验规则法的研究进展 t h o m p s o n & s e a d e r ( 1 9 7 2 ) 最早提出了用经验规则方法来合成精馏过程简 单塔分离序列。他们提出了几个著名的经验规则，如：( 1 ) 难分离的组分应放在 最后处理；( 2 ) 最好将各组分逐个从塔顶馏出：( 3 ) 进料中占据分额大的产物应 该首先分离出去；( 4 ) 最好采用塔顶馏出物和塔底产物的流率近于等摩尔分配： ( 5 ) 应将回收率要求很高的馏分放在塔系的最后进行分离。 n a t h ( 1 9 7 7 ) 首先研究了非清晰分离的精馏网络的综合问题。c h e n & l i u ( 1 9 8 9 ) g l 入组分分配矩阵( c o m p o n e n ta s s i g n m e n td i a g r a m ) 来表示非清晰分离 问题。刘智勇( 1 9 9 3 、1 9 9 4 ) 也提出了两阶段合成非清晰分离序列。 1 5 2 进化调优法的研究进展 s t e p h a n o p o u l o s & w e s t e r b e r g ( 1 9 7 6 ) 第一次介绍了在合成分离序列中使用进 化调优法，并提出两个重要的调优法则互换分离方法和变换相邻分离器的位 置。 将经验规则法和调优法相结合来合成分离流程的研究非常广泛。s e a d e r & w e s t e r b e r g ( 1 9 7 7 ) 、n a t h & m o t a r df 1 9 8 1 ) 都提出这种结合的方法。m e s z a r o s & f o n y o ( 1 9 8 6 ，1 9 8 8 ) 提出用经验规则来确定操作参数，用夹点技术作为调优法则 来合成热集成的分离序列。m u r a k ie ta l ( 1 9 8 4 ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 阐述了如何使用经 验规则法、调优法和层次分解法相结合的半定量方法来合成非清晰精馏序列问 题。 1 5 3 人工智能技术的研究进展 随着人工智能技术的出现和发展，人们开始尝试用计算机来替代传统的经验 规则方法和调优方法来合成分离流程。 中国海洋大学硕士学位论文 在人工智能技术中，专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 在过程系统综合中的应用最 为广泛。k i r k w o o de ta l ( 1 9 8 8 ) 首次报道了他们的专家系统p i p ( p r o c e s si n v e n t i o n p r o c e d u r e ) ，该系统将知识规则和定量计算相结合，可以合成一个初始的分离流 程。c r o w ee ta l ( 1 9 9 2 ) 提出了专家系统也用于合成初始的分离流程，但可以扩充 到复杂塔结构和非清晰分离问题。s c h e m b e c k e r ( 1 9 9 3 ) 提出的专家系统可以合成简 单塔序列、复杂流程、多效精馏、热泵精馏及中间换热精馏流程等多种精馏系统。 与专家系统并行的还有模糊逻辑方法( f u z z yl o g i cs y s t e m ) 和人工神经网络系 统( n e u r a ln e t w o 等，它们在分离过程综合研究中都得到应用。 1 5 4 热力学分析法的研究进展 热力学分析法是利用热力学第一、第二定律来分析和探索能量利用的合理 性。对能量密集型过程的综合，热力学分析是不可缺少的，它能发现凭经验无法 做到的对过程的深层认识和定量分析，并且取得的效果也最为显著。热力学分析 方法中，著名的有u m e d ae t a l ( 1 9 7 9 ) 的有效能分析法和l i n n h o f f e t a ( 1 9 8 3 ) 的“夹点分析法”，此外还有t - h ( q ) 图法、c c g g 图、组合曲线图等形象直观 的方法。 在复杂精馏流程的优化设计中，热力学分析方法是非常重要的研究手段。 p e t y l u ke ta lf 1 9 6 5 ) 提出并分析了三产品完全热偶合精馏塔的热力学效率和节能 特性。t e d d e r & r u d d ( 1 9 7 8 ) 对三组分分离的8 个流程进行了研究( 包括有预分馏 塔、侧线采出的复杂塔、带侧线汽提和侧线精馏的复杂塔等) ，提出采用复杂塔 分离三组分混合物的可行性和节约程度。g l i n o s & m a l o n e ( 1 9 8 8 ) 用最小