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分离过程的分段法优化设计的研究 摘要 分离过程综合的任务是如何选择适宜的分离方法，确定最优的分离序列， 使系统的总费用最小。分离过程综合作为过程综合的一部分，它的研究具有重 要的意义。但是，由于分离过程本身的复杂性和多样性，目前的理论和方法还 只能解决一些比较简单的问题，在分离过程综合研究方面还存在很多困难和不 足。本文在分析分离过程本身特性的基础上，提出了一套分离过程综合的新方 法。 1 、提出了分离过程分段设计方法：依据分离过程在不同阶段所需要推动力 的不同而将分离任务分解为若干的子任务，每一个子任务都可以有不同的设计 方案，建立一个包含各种可行方案的超结构数学模型，以总费用最小为目标， 采用合适的算法进行优化计算，得到优化的工艺流程方案。 2 、对干燥过程进行了分段设计的研究。根据干燥过程不同部分所需要的推 动力的不同，将干燥过程表达为一个超结构模型，以年费用最小为目标，对干燥 过程进行的段数和每段的工艺参数进行优化设计。实例研究表明，当物料含水量 大于物料在该条件下的l 临界含水量时，宜采用两段干燥的方法，将回转圆筒干燥 器和流化床干燥器组合进行干燥；当物料含水量低于临界含水量时，宜采用一段 干燥，将物料直接放入流化床干燥器进行干燥。 3 、对水处理过程进行了分段设计的研究。根据水处理过程中不同的给水浓 度和不同的产水浓度要求，将水处理过程表达为一个超结构模型，以年费用最小 为目标，对水处理过程进行的段数和每段的工艺参数进行优化设计。实例研究表 明，当进水浓度为5 0 0 0 p p m 3 5 0 0 0 p p m 时，制备生活用水用反渗透法进行处理， 制备纯水用反渗透法+ 离子交换法联合起来进行处理；当进水浓度为5 0 0 p p m 5 0 0 0 p p m ，制备生活用水用电渗析法进行处理即可，若制备纯水则需要使用电渗 析法+ 离子交换法联合进行处理；当进水浓度很低时，即小于5 0 0 p p m ，制备纯水 使用离子交换法一步即可。 ( 2 ) ，( 3 ) 中的实例得出的结果分别与未分段情况下的结果作了比较，分段 设计的总费用明显小于传统设计的结果，因此，我们设计出的结果是合理的，表 明这种方法是有效的。 关键词：分离，过程综合，分段设计，干燥，水处理 l i s t u d yo ns e g m e n t e do p t i m a ld e s i g nm e t h o df o r t h es e p a r a t i o np r o c e s s a b s t r u c t t h ep u r p o s eo fs e p a r a t i o np r o c e s ss y n t h e s i si sh o wt oc h o o s es u i t a b l es e p a r a t e m e t h o da n dt oc o n f i r mt h eb e s ts e p a r a t es e q u e n c ei nt e r m so fe c o n o m i cc o m p e t e n c e s e p a r a t i o np r o c e s ss y n t h e s i s ，a sap a r to fp r o c e s ss y n t h e s i s ，i ss t u d i e dw i t hi m p o r t a n t m e a n i n g b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t ya n dm u l t i f o r m i t yo ft h es e p a r a t i o np r o c e s s s y n t h e s i si t s e l f ，t h ea c t u a lt h e o r ya n dm e t h o dc a no n l ys o l v es o m es i m p l ep r o b l e m s r e l a t i v e l y ，w h i c he x i s tl o t so fd i f f i c u l t i e sa n dd e f i c i e n c i e si nt h er e s e a r c ho ft h e s e p a r a t i o np r o c e s ss y n t h e s i s t h ew o r kp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa i m sa tp r o v i d i n ga n e wm e t h o do fs e p a r a t i o np r o c e s ss y n t h e s i sb a s e do na n a l y s i st os e p a r a t i o np r o c e s s i t s e l f 1 、p u t t i n gf o r w a r das e g m e n t e dd e s i g nm e t h o df o rs e p a r a t i o np r o c e s s ：a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n ti m p e t u so fd i f f e r e n tp h a s ei n s e p a r a t i o np r o c e s s ，t h em e t h o dc a n d i s a s s e m b l eo n es e p a r a t i o na s s i g n m e n ti n t os e v e r a ls u b a s s i g n m e n t sw i t hd i f f e r e n t s u b c a s e sa n ds e tu pas u p e r s t r u c t u r em o d e li n c l u d i n ga l lt y p e so ff e a s i b l es u b c a s e s o p t i m a lc a l c u l a t i o nw i t hs u i t a b l ea l g o r i t h mi sa p p l i e dt o t h em o d e lt of i n dt h e o p t i m a lt e c h n i c sc o n f i g u r a t i o n s ，a i m e da te c o n o m i cc o m p e t e n c e 2 、t h ed r y i n gp r o c e s si ss t u d i e db yt h em e t h o do f s e g m e n t e dd e s i g n a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n ti m p e t u so fd i f f e r e n tp h a s ei nt h ed r y i n gp r o c e s s ，t h ed r y i n gp r o c e s si s d e s c r i b e da sas u p e m t m c t u r em o d e lw h i c ha p p l i e do p t i m a ld e s i g nt ot h en u m b e ro f s e g m e n t sa n dt e c h n i c sp a r a m e t e r so fe v e r ys e g m e n tw i t i lt h ep u r p o s eo ft h e m i n i m i z a t i o no fa n n u a lt o t a lc o s t t h er e s u l ts h o w e dt h a ti t sb e t t e rt oa p p l yt h e t w o s e g m e n tm e t h o dw h e nt h em o i s t u r eo fm a t e r i a lw a sm o r et h a nt h ec r i t i c a l m o i s t u r eo nt h es a m ec o n d i t i o n ，w i t ht h er o t a t i n g c y l i n d e rd r i e ra n dt h ef l u i d b e d d r i e rc o m b i n e dt od r y i n g ；o n e s e g m e n td r y i n gm e t h o dw i t hm a t e r i a l sp u ti n t o f l u i d b e dd r i e rd i r e c t l ys h o u l db ea d o p t e dw h e nt h em o i s t u r eo fm a t e r i a lw a sl e s s 1 1 1 t h a nt h ec r i t i c a lm o i s t u r eo nt h es a r f l ec o n d i t i o n 3 、t h ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si ss t u d i e db yt h em e t h o do ft h es e g m e n t e dd e s i g n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nd e m a n di nt h ep r o c e s so ff e e dw a t e ra n d o u t p u t ，t h ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si sd e s c r i b e da sas u p e r s t r u c t u r em o d e l ，w h i c h a p p l i e do p t i m a ld e s i g nt ot h en u m b e ro fs e g m e n t sa n dt e c h n i c sp a r a m e t e r so fe v e r y s e g m e n tw i t l lt h ep u r p o s eo nt h em i n i m i z a t i o no fa n n u a lt o t a lc o s t t h er e s u l t s h o w e dt h a ti t sb e t t e rt o a p p l yt h em e t h o do fr e v e r s eo s m o s i s & i o ne x c h a n g et o p r e p a r et h ep u r ew a t e ra n da p p l yt h em e t h o do fr e v e r s eo s m o s i st op r e p a r et h ew a t e r f o rl i v i n gw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fi n g o i n gw a t e rw a sb e t w e e n5 0 0 0 p p ma n d 3 5 0 0 0 p p m ；w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fi n g o i n gw a t e rw a sb e t w e e n5 0 0 p p ma n d 5 0 0 0 p p m ，i t sb e t t e rt oa p p l yt h em e t h o do fe l e c t r o d i a l y s i s & i o ne x c h a n g et op r e p a r e t h ep u r ew a t e ra n da p p l yt h em e t h o do fe l e c t r o d i a l y s i st op r e p a r et h ew a t e rf o rl i v i n g ； w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fi n g o i n gw a t e rw a sb e l o w5 0 0 p p m ，t h em e t h o do fi o n e x c h a n g ei sb e t t e rf o rt h ep u r ew a t e r c o m p a r e dt h er e s u l to fe x a m p l e ( 2 ) ，( 3 ) t ot h er e s u l to fn o n s e g m e n t ，i t so b v i o u s t h a tt h et o t a lc o s to ft h es e g m e n ti sl e s st h a nt h er e s u l t so ft r a d i t i o n a ld e s i g n a s r e s u r ，t h ef i n a ld e s i g nw a sr e a s o n a b l ea n dt h i sm e t h o dw a se f f e c t i v e k e yw o r d s ：s e p a r a t i o n ；p r o c e s ss y n t h e s i s ；s e g m e n t e dd e s i g n ；d r y i n g ；w a t e r t r e a t m e n t 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。 据我所知，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 过的研究成果，c 乜不包含未获得( 逵! 塑遗直基地盏垩挂星直堕 的! 奎拦卫窒2 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：工陴知弗签字日期：形年z 月7 日 学位论文版权使用授权书 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、汇编学位沦文。( 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 王触书 导师签字 嘲厶懒 签字同期：妒( 年月7 日签字日期：聊年月z 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 分离过程的分段法优化设计的研究 前言 过程综合是化工过程设计中的一个关键步骤，指的是在一定的进出料条件 以及相关工艺条件下，设计一个在一定意义上为最优的过程系统。分离过程是 指将两组分或多组分的混合物分离成为组成不同的两股或多股产物的过程。分 离过程综合的任务是如何选择适宜的分离方法，确定最优的分离序列，使系统 的总费用最小。分离过程综合作为过程综合的部分，它的研究具有重要的意 义。迄今已提出的分离过程综合的方法很多，但归纳起来主要有三大类，一类 是基于知识的方法，另一类是热力学分析法：第三类是数学规划法。 但是，由于分离过程本身的复杂性和多样性，目前的理论和方法还只能解 决一些比较简单的问题，在分离过程综合研究方面还存在很多困难和不足，例 如实用的方法只能解决分离过程综合的一个或两个侧面的问题，而统一的求解 策略却多为指导性的原则，难以实用；研究的过程多为精馏过程且多为理想物 系，对含吸收、萃取、蒸发、干燥等分离过程研究的较少，但实际生产过程中， 经常会遇到吸收、萃取、蒸发、干燥等分离过程，甚至会出现吸收、萃取、蒸 发、干燥中的几个同时出现在一个分离流程中的情况；研究中所采用的评价指 标多为蒸汽用量，有的虽采用经济指标但其中的经济参数往往是经验的，缺乏 科学性；分离过程超结构的构造方法尚不完善，特别是缺乏同时考虑传质传热 操作的超结构模型。 作者认为，分离过程综合是全流程综合的关键，由于这方面的工作还很不 成熟，有必要进一步开展工作。对某一问题的研究，方法当然是最重要的。近 年来，分离过程综合有比较大的进展，对认识分离过程有很好的借鉴作用。在 这些工作的基础上并结合前述分离过程综合研究的困难和不足，本文的研究目 标是，对分离过程本身进行分析，提出一套分离过程综合的新方法。该方法的 具体研究内容如下： ( 1 ) 对分离过程综合及相关问题进行分类和分析，提出了分离过程新的设 计法一分段设计法，即将一个任务分解为多个子任务，根据各个子任务不同 的特点进行设计。 中国海洋大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过对干燥过程和水处理过程的优化设计来说明这种方法，并验证这 种方法的有效性和合理性。 2 分离过程的分段法优化设计的研究 1 1 过程综合 第一章文献综述 1 1 1 概述 过程综合是化工过程设计中的一个关键步骤，主要是设计工程师选择流程 系统的组成单元及组合方式，以建立一个能够满足产品设计要求的流程方案， 以往主要是靠设计师的经验来进行的【8 7 】。直到六十年代后期，r u d d 5 铂才提出了 过程综合的具体概念，试图将这个领域由经验转化为科学，他提出：过程综合 指的是在一定的进出料条件以及相关工艺条件下，设计一个在一定意义上为最 优的过程系统。 一个常规的流程综合大致可分为以下几步： ( 1 ) 提出设计的规定和要求 实际上是将过程约束固定下来，从数学上讲，就是明确约束方程，确定边 界条件，这样才不至于产生无穷多解。 ( 2 ) 建立评价流程方案的方法 要选择合适的技术经济评价函数，可以是单目标函数，也可以是多目标函 数。 ( 3 ) 各种可供选择的流程方案的综合 这一步是最具有创造性的步骤，过去往往取决于设计师的经验及智慧。现 在正发展一些方法，使计算机能够自动地产生可供选择的替代流程。但这是相 当复杂的任务。例如对于包括两股加热物流和两股冷却物流的换热网络系统， 就可以安排出4 2 0 0 种方案( 包括不可行方案) 来实现。而对于有1 0 0 个单元设 备构成的过程系统，即使不存在再循环回路，理论上应有1 0 01 种排列组合。 ( 4 ) 分析与分解 将大系统分为若干个相互关联而且易于分析的予系统，然后用相应的数学 模型进行模拟与分析，看这种被选择的流程的结构性能及行为如何。 ( 5 ) 流程评价 根据模拟和分析的结果进行目标函数的计算( 或其他评价指标计算) ，以便 不同方案进行比较。 中国海洋大学硕士学位论文 ( 6 ) 最优化 这里有两个层次的最优化，一个是对一个既定的流程方案，使其操作参数 达到最优化，因为将来不同流程方案比较时均以各自的最佳性能为基准。另一 个是流程结构的优化，也就是说，不同替代方案之问的择优。 以上步骤包括多重迭代计算，最后即可综合成最优方案。 1 1 2 过程综合研究领域 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 ) 换热网络的综合 ( 2 ) 分离过程的综合 ( 3 ) 反应器网络的综合 ( 4 ) 反应路径的综合 ( 5 ) 公用工程子系统综合 ( 6 ) 全流程综合：研究包括反应、分离、换热、公用工程等子系统的全流 程综合问题。 综合可表示为“i n t e g r a t i o n ”和“s y n t h e s i s ”，根据其在文献中的使用，可 以看出，i n t e g r a t i o n 重点在于能量的合理利用上，而s y n t h e s i s 重点在于物料流 程与能量的集成或多个子系统之间的联系上。 1 1 3 过程综合的研究进展 从1 9 6 8 年r u d d 等人提出了过程综合的概念起，过程综合的研究就进入了 一个新的阶段。1 9 7 1 年，r u d d 等人研制成功了a i d e s ( 自适应预适应合成机) 过程综合程序，随后，过程综合的许多方法被陆续发表出来，目前已取得了不 少进展。 本节将简要回顾一下过程综合研究的进展情况，其中分离过程综合的进展 在后面给出。 早期过程综合的基本方法有直观推测法，分支界限法，分解方法，调优方 法及超结构法。1 9 7 8 年以l i n n h o f l 4 ”4 叫为首的英国帝国化学公司提出并发展了 夹点分析法，通过对冷热流的温焓图( 表) 的分析，找出了换热网络的夹点， 4 分离过程的分段法优化设计的研究 利用夹点的特征来寻求能量匹配的最优方案，1 9 8 2 年通过对美国联碳公司的9 个工程实例的试算，证明这种方法可以节能5 0 。此法现在也被用于精馏过程 及反应热集成问题的研究。在此基础上，c h a l l a n d ( 1 9 8 1 ) 和c o l b e r g ( 1 9 8 2 ) 提出了双温差法，也称为伪夹点技术。即在综合过程中，一方面流过夹点的能 量一定要由其他匹配反方向流过夹点的等量能量给与补偿，以使通过夹点的净 流量为零。t r i v e d i 5 8 】和j e z o w s k i p i l 等对此方法作了改进，提出了新双温差设计 法。华贲 2 9 , 6 5 根据能量流程系统的特点将其分解为三个环节，即能量的转换环 节、利用环节和回收环节，提出了三环节模型( 图1 一1 ) 。能量系统的综合一方 面对这三个环节分别进行，一方面要在这三个环节之间进行协调优化。g l a s s e r 和h i l d e b r a n d t 2 0 - 2 2 1 以h o m 【2 8 】的可得区概念为基础，提出了可得区法，将反应器 看作是仅仅发生反应和混合的系统，将这个系统按照定的条件构造可得区， 在可得区上绘制目标函数的等值线，这样可得到最优进料点，由于进料点到可 得区内任一点的路径与一个或几个反应器网络相对应，进而找到最佳反应器网 络。胡仰栋旧 根据反应过程的动力学特征来确定最优反应器网络，提出了导数 外供入能ie p e w e t 直接 能量的转换 和传输环节 有效供入i 能e u 转换 e w 厂回 li 艺总用能e nl 收 1 能量的工艺利i霖 用环节能 l 广一c r j 有效回收用 ” 嬖i 待回收能e 。 些叫能嚣收 回收输出能ie 图i - 1 能量流程的三环节模型 中国海洋大学硕士学位论文 分析法，即由目标函数的瞬时值对某个基准物的导数的正负号来确定最优的反 应器网络。该方法不仅有助于反应器网络的优化，而且有助于对反应过程特性 的理解。g m s s m 咖提出由结构优化法综合公用工程系统，在一个能包含各 种公用工程方案的超结构基础上，采用混合整数规划法求解，可得到最优的系 统流程结构和操作条件，此方法所的系统在总费用上可比优化前减少4 0 。全 流程综合一直是过程综合中的重点和难点，以往一直是靠设计师的经验进行设 计，近2 0 年来，全流程综合方法才有了一定进展。m a h a l e c 和m o t a r d 4 2 提出一 个化工过程的初步设计程序b a l t a z a r ，用物流匹配算法来开发一个流程。 g r o s s m a n n 采用混合整数规划法处理全流程系统的综合问题，但局限于简化了 的系统，最近他又提出将逻辑关系式引入分支界限法，减少了需要搜索的节点 数，所需计算时间降低了一个数量级。f l o u d a s 【1 8 1 在非线性规划整体最优解问题 的研究方面取得了进展，提出了一种改进的算法。杨友麒等1 8 8 】用a s p e n 对二 甲苯分离回收的全流程综合问题作了研究。总的来说，全流程的自动综合难度 较大，需要做深入探索。 1 2 分离过程综合研究的意义 分离过程是指将两组分或多组分的混合物分离成为组成不同的两股或多股 产物的过程。分离过程综合的任务是如何选择适宜的分离方法，确定最优的分 离序列，使系统的总费用最小。分离过程综合作为过程综合的一部分，它的研 究具有重要的意义，表现在： ( 1 ) 可为分离过程的开发提供理论依据 众所周知，分离操作是生产过程的重要组成部分，分离设备的投资往往占 总投资的不少部分。分离一方面为反应提供适宜的反应物配比，清除对反应或 催化剂有害的杂质，保证反应的顺利进行：另一方面分离对反应产物起着分离 提纯的作用，以得到合格的产品，并使未反应的反应物得以循环利用。分离过 程的开发一般以实验为主，通过小试中试工业化，这样就需要做大量 的试验工作。分离过程综合的研究成果可为这些试验工作提供理论指导，从而 大大加快过程开发的速度。 ( 2 ) 可以节约能源 分离过程的分段法优化设计的研究 七十年代，世界性的能源危机使石油价格上涨十倍，相应的使原材料价格 大幅度上扬，尤其是能耗密集型的化学工业，能源与原料的总成本己占生产成 本的9 0 左右。因此，如何合理的利用能源以降低生产成本，提高经济效益， 已成为整个化学工业一项紧迫任务。在化学工业中能耗突出的操作是分离操作， 尤其是精馏操作能耗最大，分离过程综合的成果可以用来指导人们合成新的省 能分离系统，从而达到节能的目的。 ( 3 ) 是化学工业可持续发展的迫切需要 可持续发展是2 l 世纪的重大课题，化学工业是较容易造成环境污染问题的 行业。在过程系统的周期内，过程开发阶段是决定该系统产生重大环境保护的 最重要的一环。因此，要想实现化工清洁生产，必须在过程开发阶段尽量把产 生污染的因素消除掉，而不是重点在以后的技术改造中消除。过程工业的污染 问题主要起因于反应过程存在副反应，并且形成的废料难以处理，而分离过程 ：自勺任务是提供适合的反应原料配比以及对产物进行分离提纯，分离过程综合的 任务是选择适宜的分离方法，确定最优的分离序列。因此，分离过程综合对保 证化工清洁生产意义重大。鉴于我国化工污染问题的严重性，开展分离过程综 合的研究显得很迫切。 ( 4 ) 是实现全流程综合的关键 全流程综合是过程综合的最高目标，难度非常大。它不但要考虑全流程经 济目标，还要考虑能量及环境等目标。目前，能量网络综合及反应器网络综合 已取得很大的进展，分离过程综合发展相对而言还不够成熟。因此，加快分离 过程综合的研究不仅对分离过程本身具有重要的意义，对实现全流程综合更具 要重要的意义。 1 3 分离过程综合方法的发展 1 3 1 分离过程综合中的三个问题 从以往各种综合例子中可以发现，分离过程综合乃至任何一方面的系统综 合都碰到以下三个方面的根本问题： ( 1 ) 表达方法问题 中国海洋大学硕士学位论文 如何找到一个表达方式，它能包括各种可能的替代方案，而且又要相当灵 巧，可自动避免荒谬的方案，这种表达方法应当是在计算机上便于实现和变更 的。 ( 2 ) 评价问题 如何找到有效的评价准则，使得各种方案成为可比的。有效的评价意味着 要在计算工作量和准确程度之间取一种平衡。例如，最直接准确的评价指标可 能是生产成本或投资回收期，但这就要在物料平衡计算的基础上，进行热量衡 算，设备尺寸计算、投资及操作成本核算。这就使得计算工作量成十倍的增加。 反之，如果能够找到一些判别准数，它只需用物料衡算的结果，则计算大为简 化，当然可能比较粗糙。所以，好的评价方法在于尽少地要求流程详细深入的 计算结果，但又可以得到相对准确的比较。 ( 3 ) 搜索策略问题 如何找到一种搜索策略可以不必列举所有可能的替代方案，而直接找到较 优的结果，计算的方案愈少，则搜索策略的效率愈高。 不同的方法就是找寻不同的途径来处理以上三个主要问题，下面将简略的 介绍一些其他方法。 1 3 2 分离过程综合的主要方法 分离过程综合问题的研究起始于l o c k h a r t ( 1 9 4 7 ) ，到7 0 年代才开始系统化， 成为过程系统综合的一个重要部分。 迄今己提出的分离过程综合的方法很多，但归纳起来主要有三大类，一类 是基于知识的方法，另一类是热力学分析法；第三类是数学规划法。下面分别 介绍这些主要的分离过程综合方法。 1 3 2 1 基于知识的方法 基于知识的方法顾名思义就是指以经验和知识为基础建立的方法，一般来 说，常见的方法有经验规则法，调优方法，专家系统和模糊逻辑方法。 经验规则法，也称为直观推断法，人们为了缩小搜索范围，经常应用一些 分离过程的分段法优化设计的研究 经验积累下来的直观推断法则来判断哪些组合方案显然是不合理的、应当排除 的，哪些方案是有希望的，从而很快地把搜索空间缩小，趋于最优解。这类直 观推断法则实际上是基于对各种构成单元操作有关的物理化学现象的知识和经 验形成的。 早期对于简单塔序列合成的问题，t h o m p s o n 吲和s e a d e r 5 3 蟪出了一套推 理法则，在该法则中提出的著名的经验规则如下： ( 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 ) 迸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。等等。 然而以上规则在使用时有些规则之间相互矛盾，为了克服这些矛盾，n a d g i r & l i n t 4 5 1 把确定分离顺序的各个经验规则分为四类： ( 1 ) 分离方法规则 ( 2 ) 设计规则 ( 3 ) 组分规则 ( 4 ) 组成规则 将经验规则按照重要程度排成次序，然后按顺序使用这些规则，即使用直 观推断法。 对于复杂塔，t e d d e r 和r u d d 、g l i n o s 和m a l o n e 【2 3 】也各提出了一套推理 法则。但是以上这些法则的提取主要靠经验，合理性难以证明，应用上存在很 大局限，所以一般用来确定分离序列和选择分离方法和设备。 调优方法是指的是对先前产生的过程流程进行逐步改经来合成新流程的方 法。其中包含两方面的内容，首先是如何从现有流程中识别经修正可获得更大 经济效益的那一部分；其次是对一部分进行恰当的修改并对修改过的流程进行 分析，从而使系统达到最优化。 中国海洋大学硕士学位论文 s t e p h a n o p o u l o s & w e s t e r b e r g t 5 5 1 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。相对而言，调优方法还是比较成熟的，因为它使有经验的设计师根据现有 的经验拟定一个初始流程作为起点，然后反复应用通用流程模拟系统去改进并 分析整个流程方案。然而当问题规模比较大时，它需要很大的计算量，为此调 优法经常和经验规则等其它方法相结合，通过有选择性地对部分相邻方案进行 评价。 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，这就形成了一个新的研究领域专 家系统。k i r k w o o d l 3 2 1 首次报道了他们的专家系统p 口( 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。v i r g i n i a 理工大学推出了专门的分离过程的专家系统e x e s p 。杨冀宏、麻 德贤【8 6 】用人工智能的方法开发了用于分离过程综合的专家系统。早期的含复杂 塔分离流程研究多数为三组分体系，荣本光等7 2 1 研究了五组分的复杂精馏流程， 提出了相应的推理规则，并开发了基于规则的含复杂塔的精馏流程综合的专家 系统。易天元等1 9 2 人开发了一种应用于化工传质分离流程开发的分离综合专家 系统，对于多元组分进料分离成要求的多种产品，可以提供合理的分离序列。 钱宇等 7 1 1 用人工智能的方法发展了分离过程的综合方法。r a m a n & g r o s s m a n n l l 4 9 1 研究证明，如果经验规则发生冲突，无论采用向前或向后的链搜 索途径，专家系统都会丢失优秀解。 由于经验规则法用到“难以分离”、“差别不大”、“比较适合”等许多含义 不清的分类，所以这些很适合用模糊理论来处理。基于模糊逻辑的方法将经验 规则表示为模糊规则，并通过各自的隶属度来实现定量计算，从而可以克服传 统经验规则使用时的矛盾、冲突和含义不清等问题。在分离过程综合研究领域， h u a n g & f a n 3 0 1 、吴以型8 1 】等研究证明用模糊逻辑方法可以解决分离序列合成 中经验规则冲突的问题。f l o w e r s 1 9 1 提出的模糊逻辑方法可以处理非清晰、非理 想分离体系。q i a n & l i e n f 4 7 , 4 8 1 研究了用模糊逻辑法合成复杂精馏流程，可以扩 充到包括萃取分离。在二十世纪9 0 年代中期，人工智能技术的应用得到很大发 展，各种系统软件相继开发，成为分离过程综合研究的一种重要方法。 1 0 分离过程的分段法优化设计的研究 对于分离过程综合这样庞大而复杂的工程，依靠工程师在长期实践中所积 累下来的经验获得对问题的初步认识是非常必要的。通过知识的方法首先将庞 大问题的求解空间缩小到一定范围，然后再结合调优法，然后再结合调优法、 表格法、多方案比较法、n l p 算法、m i l p m i n l p 方法等方法来实现系统的优 化设计是这领域研究的重要方法。然而，基于知识的方法强烈地依赖于规则 的充分性、完备性和有效性，这其实是很难做到的。在实际使用过程中，当使 用规则之间出现矛盾、冲突和含义不清等问题时，只能依靠于设计者的主观判 断，这有可能丢失许多优秀解。专家系统也存在类似的局限性。专家系统在简 单过程研究取得一定成功后，开始面临新的问题，即如何处理认识功能方面的 问题。包括人脑在内的智能信息处理过程，实际上具有平行直观性和串行逻辑 性两个侧面，如果单靠串行逻辑和符号处理等传统的解决方法来解决复杂问题， 可能产生计算量的组合爆炸，目前还没有系统的解决办法。模糊逻辑方法可以 解决经验规则冲突等问题，但存在模糊集合中各隶属度函数的定义以及各规则 如何综合等问题，目前尚处于发展阶段。所以说，对于分离过程设计问题，仅 依靠知识规则还是不够的，将精力过多的放在知识规则的完善和综合上意义不 大，需要我们开发新的方法来对分离过程进行设计。 1 3 2 2 热力学分析法 热力学分析法是一种分析的方法，其在分离过程优化设计的应用，就是利 用热力学定律分析过程的不可逆性并提出改进措施。这一方法对一些工业生产 过程中能量消耗占显著比重的过程是不可缺少的，在节能方面可以取得明显的 效果。 1 9 7 9 年u m e d a l 5 9 1 首先提出在固定分离序列的基础上，利用热组合曲线改进 和调优系统的热匹配来合成热集成分离序列。n a k a l 4 6 以有效能损失最小作为合 成多组分精馏网络的目标函数，但他们并未解决如何建立一个有效能损失最小 的初始顺序，并且合成的流程不能保证经济上是最优的。l i n n h o f f 4 h 将换热网 络设计的夹点分析法发展到精馏系统的热集成研究中，系统分析了精馏过程的 夹点特征、精馏塔及换热器的位置、可行的热匹配等知识规则，认为分离器与 过程系统热集成时，不要使分离器穿过夹点，分离器放在夹点下面和下面都是 有效的。俞红梅、姚平经1 9 3 】提出了用能一致性原则，对m b t e 合成与裂解联合 中国海洋大学硕士学位论文 装置全过程进行用能分析，提出了包括精馏塔在内的过程系统的热集成方法。 郑世清等【9 8 】以物流匹配换热规则对空气分离系统进行分析，以氮气产量最大为 目标函数，系统能量平衡为约束条件，对整个系统的操作条件以不可行路径的 逐次二次规划法进行了优化设计。荣本光等【7 3 】发展了考虑塔压变化以实现热集 成的复杂流程的多层次策略。 从以上研究可以看出，用热力学分析法来探讨精馏系统的能量利用和综合 是非常重要的。这不仅因为能量利用的合理性要体现在过程的热力学效率上， 而且热集成最终需要建立在能量定量分析的基础上。热力学分析能发现仅凭经 验无法做到的对过程的深层分离及认识，是深入问题更深层次的求解活动。但 热力学分析法的优点在于对流程的分析而非综合，这决定该方法使用的局限性。 热力学分析法通常是在能够完成所要求的传质任务的基础上，通过合理的改变 单元及流程的参数及结构使其能量利用合理，但对于精馏过程来说，由于其同 时涉及到传质和传热，问题要复杂得多。同时，这一方法需要使用着根据经验 来把握设计中的目标权衡问题，这也是该方案最终能否实施的关键。 1 3 2 3 数学规划法 数学规划法是指用数学语言将问题表示成为一个混合整数线性或非线性规 划( m i l p m i n l p ) 问题，并通过一定最优化方法求解来获得最优的分离流程 和操作参数的一种方法。数学规划法主要包括动态规划法、分支定界法、广义 的b e n d e r s 分解法和外近似法等。 h e n d r y & h u g h e s t 2 q 首次提出用动态规划法合成简单分离序列，并提出所谓 的分离序列“树超结构”，如图1 2 就是一个四组分分离的树超结构，包含了所 有的分离顺序和分离子问题。r a t h o r e 5 0 , 5 1 将动态规划的原理首次应用于合成热 集成的简单塔分离序列。该文献非常经典，他们提出的假设和算例被以后的研 究广泛采纳，方法是： ( 1 ) 假设：组分间的相对挥发度大小的顺序不随压力的改变热改变：每个 塔均在高回收率下操作( 关键组分回收率9 8 ) ；假设回流比为最小回流比的 1 2 倍左右；忽略塔与塔之间的物流由于温度和压力的改变引起的分离成本的 变化；只考虑不同塔的冷凝器和再沸器之间的潜热匹配；假设公用工程的价格 为温度的线性函数等。 ( 2 ) 用四条经验的热匹配规则产生所有的热源物流( 冷凝器) 和热肼物流 分离过程的分段法优化设计的研究 ( 再沸器) ，并将匹配构成矩阵，识别不满足匹配原则的热匹配。 ( 3 ) 计算每一对匹配前后的分离费用，再利用排除规则f e x c l u s i o nr u l e s ) x ：j 匹配进行筛选，即如果匹配后的费用高于匹配前的费用，则直接排除该匹配。 ( 4 ) 寻找每个分离子问题存在热匹配时的最优解，然后由动态规则确定原 问题的最佳解。 但是，正如作者本人以及周理【1 0 1 , 1 0 2 等其他研究者所指出的，由于分离序列 合成和选择热集成匹配两个子问题之间存在着偶合特性，由动态规则得到的结 构并不最优，为了保证结果的最优化和可行性，不得不计算并穷举分离序列中 一切可能的匹配方案。 图1 2 四种4 组分分离的超结构表示方法 s o p h o s 5 4 1 、m o m r i & f a i t h “】提出用分支定界法来合成热集成分离序列。这 些方法首先需要利用顺序表导出所有可能的分离顺序和子任务，并按分支定界 规则进行搜索，所以也称此方法为“树搜索”方法，但计算量都比较大。 分离系统综合中应用最多的数学规划算法是m i l p 和m i n l p 模型化方法， 其主要思想是利用超结构来表示所有可能的分离序列和热集成结构，将超结构 模型化为m i l p 或m i n l p 问题，再通过数学方法求解即得到最终的流程结构和 操作参数。 中国海洋大学硕士学位论文 超结构法是过程综合的一类重要方法，它将过程综合问题看成是优化问题， 和一般的过程优化不同，超结构法允许流程单元的有无，单元之间物料的有无 作为变量。这样可能的流程方案就是不同的单元和物流之间所有可能的组合的 集合即超结构。过程综合则是在这种超结构和其他约束条件下对某一或几个目 标函数进行优化，从而在很多种可能流程中选出一种最优方案并同时确定工艺 条件。 超结构法在过程综合的各个领域上均有丰富的成果，其中g r o s s m a n n 2 5 1 及 其合作者对此法的发展做出了较大的贡献。他提出的基本思想是将过程系统的 可行性组合用一个超结构来表示，把过程综合问题表示成基于超结构的混合整 数线性规划( m i l p ) 或混合整数非线性规划( m i n l p ) 问题。对于分离过程综 合问题，早期的工作主要限于精馏流程，超结构则是以一定的精馏流程为基础， 以塔的进料数目，位置，中间再沸器有无，位置作为变量来构造。这样考虑的 超结构所包括的可行流程数目较少，得到的最优流程不一定是全局最优的。后 来，g r o s s m a n n 等人提出了基于逻辑变量的超结构构造方案，试图扩展超结构 的可行解空间。1 9 9 9 年他们提出了基于状态任务网络( s t n ) 和状态 设备网络( s e n ) 的超结构表示法，进一步扩展超结构，使求解结果 更趋合理。2 0 0 1 年c a b a l l e r o & g r o s s m a n n l 8 1 又将s t n 超结构优化法应用于合成 含热偶合方案和非清晰的复杂精馏流程，但没有考虑参数优化和热集成。 很多其他学者也在超结构法的发展过程中作出了巨大的贡献，f l o u d a s 1 7 , 1 8 在假设每个单元为清晰分离和允许物流进行旁路、分流和混合等操作的基础上 建立了非清晰分离序列的超结构和对应的m i n l p 模型。1 9 8 8 年a i k a k h u 和 j r f l o w e r 3 】用混合整数规划法优化了热集成精馏序列，从事先产生好的超结构 中有画出一个最节能的序列。a g g a r w a l & f l o u