（热能工程专业论文）常减压蒸馏流程模拟与优化及换热网络综合.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 本文以炼油厂常减压蒸馏装置的设计和优化为背景，建立了大型常减压蒸馏流程的 m e s h ( m a s sb a l a n c e s ，e q u i l i b r i u mr e l a t i o n s ，m o l ef r a c t i o ns u m m a t i o n sa n dh e a tb a l a n c e s ) 模型。在流程模拟的基础上，以初馏塔、常压塔和减压塔的进料位置为优化决策变量， 常减压蒸馏装置最大年综合收益为目标函数，在p r o f l i 平台上进行二次开发，编写了 求解优化问题的f o r t r a n 程序，获得了良好的优化效果。从优化流程结果中提取常减 压蒸馏过程冷热物流基础数据，对常减压蒸馏装置的换热网络进行夹点分析，获得组合 曲线和总组合曲线以及冷热物流在不同温度间隔对热负荷的贡献。利用数学规划法建立 换热网络的m i n l p 数学模型，运用分支界限法对m i n l p 模型进行了求解，获得有无分 流两种换热网络，对比分析了两种换热网络的优缺点。具体研究工作总结如下： ( 1 ) 针对原油常减压蒸馏工艺，建立初馏塔精馏过程m e s h 方程，即组分物料平 衡方程、相平衡方程、摩尔分数加和归一化方程、总物料平衡方程和能量平衡等方程。 流程模拟过程中，状态方程选择s p r 方程，液体密度选用a p i 关联式计算，用p r e t r o 方法计算传递性质，用g i i t s c h 方法计算浮阀塔板压降，用简单换热器模型计算换热器 和加热炉传热情况。通过模型的求解，获得了各物流流量、温度和压力等参数。初馏塔、 常压塔和减压塔温度和汽液流量沿塔板的分布侧形图能够很好地反映蒸馏过程和进出 物料以及中段冷却循环对蒸馏过程的影响。流程模拟结果与系统工艺要求吻合良好，证 实模型可靠和模拟结果正确，可信的流程模拟结果为流程优化提供了坚实的基础。 ( 2 ) 在流程模拟的基础上，给定塔板数、原油进料流量、组分、侧线抽取参数、 中段冷却循环参数、汽提参数等约束条件以及所有参数必须大于零的不等式约束条件， 以初馏塔、常压塔和减压塔进料位置为优化决策变量，建立了以最大年综合收益为目标 函数的优化模型。在p r o f l l 平台上进行二次开发，编写求解优化模型的f o r t r a n 程 序，获得了良好的优化结果。给出了优化后的流程模拟参数，结果表明优化后的流程仍 然能够满足系统工艺要求。对比分析了流程优化前后初馏塔、常压塔和减压塔的温度与 汽液流量沿塔板数的分布情况，结果表明侧形图能够正确反映进料位置的改变对蒸馏过 程的影响。 ( 3 ) 流程优化前后结果对比表明，优化后的流程在温度和压力等参数方面没有大 的改变，仍然满足工艺要求，最大的改变在于各产品流量发生了改变。根据产品价格的 高低，高价格产品流量得到较大的增长，这种增长是以低价格产品的流量减少为代价的。 泵功减少对整套装置年综合收益的增长也有贡献，但各产品综合收益对年综合收益的贡 献最大。年综合收益的增长是以加热负荷和冷却负荷增加为代价的。 常减压蒸馏流程模拟与优化及换热网络综合 ( 4 ) 从优化后流程模拟结果中提取参与换热的冷热过程流体及现场其他一些冷热 物流，运用夹点分析法对换热网络进行夹点分析。得到了各热流体和冷流体在各自温度 间隔的热负荷分布情况，绘制了组合曲线和总组合曲线。对于热流体，热端提供的热负 荷较大，冷端提供的的热负荷较小，其中热物流j n z y 对整个热负荷的贡献最大。对于 冷流体，需要热负荷的冷流体主要是流体b t y 和y y ，且集中在中低温度间隔内。组合 曲线和总组合曲线说明h r a t 越小，回收的热量越大，需要的热公用工程和冷公用工程 也越少，公用工程投资和冷热公用工程费用将减少，但是由于换热网络接近温差变小， 整个换热网络的换热器面积将增大，从而增加了换热器投资，说明在实际过程中要兼顾 换热器等设备的投资成本。不同h r a t 的换热网络，其夹点是变化的。 ( 5 ) 运用数学规划法，对参与换热的所有冷热物流建立m i n l p 换热网络数学模型， 运用分支界限法对数学模型进行求解，获得无分流和有分流两种换热网络。给出了无分 流换热网络的换热器、冷却器和加热器匹配流体的进出口温度、换热负荷和换热面积； 无分流的换热网络需要1 4 2 个换热器、8 个冷却器和4 个加热器。对于有分流换热网络， 给出了换热器、冷却器和加热器匹配流体的进出口温度、流率分数、换热负荷和换热面 积；有分流的换热网络需要3 4 个换热器、8 个冷却器、4 个加热器、1 1 个分流器和1 1 个混合器。分别给出了有无分流换热网络的换热格子图，该图能够直观地反映冷热流体 的换热情况，包括进出口温度、流量、换热负荷、换热面积和流率分数等。对两种换热 网络对比分析表明，有无分流换热网络在冷热过程流体换热的总热负荷上完全相同，冷 热过程流体与公用工程换热在投资成本和年操作成本上也大体相近，但有分流换热网络 的总换热面积较无分流换热网络大，总投资成本高。从经济效益上看，无分流换热网络 更具有优势。然而，由于无分流换热网络换热器数目庞大，弹性不够，而有分流的换热 网络换热器数目大大减少，可以根据流程变化对分流进行调节，具有定的操作灵活性。 考虑到原油常减压蒸馏装置的长期投资性和换热网络的灵活性，目前大多数企业大多选 择有分流的换热网络。对比分析了夹点分析和数学规划法在热回收量、换热面积、投资 成本和年公用工程费用之间的关系。 本文以原油常减压蒸馏装置的流程模拟与优化及其换热网络综合为研究内容，运用 流程模拟和优化及换热网络综合理论，对常减压蒸馏工艺进行流程模拟和优化，对其换 热网络进行综合，获得了年综合收益最大的优化流程和总年度费用最小的有分流和无分 流两种换热网络，对比分析了夹点分析和数学规划法之问的结果。 关键词：常减压蒸馏；流程模拟；优化；换热网络；综合 大连理工大学博士学位论文 f l o ws i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，a n dh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k s y n t h e s i so fa t m o s p h e r e v a c u u md i s t i l l a t i o n a b s t r a c t t a k e nd e s i g na n do p t i m i z a t i o no fa na t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o ni nar e f i n e r ya s e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do ft h i sd i s s e r t a t i o n , m e s h ( m a s sb a l a n c e s ，e q u i l i b r i u mr e l a t i o n s ， m o l ef r a c t i o ns u m m a t i o n sa n dh e a tb a l a n c e s ) m o d e lo ft h el a r g es c a l ea t m o s p h e r e - v a c u u m d i s t i l l a t i o ne q u i p m e n ti se s t a b f i s h e d b a s e do nt h ef l o ws i m u l a t i o n , t a k e nf e e dl o e a t i o n so f t o p p i n gd i s t i l l a t i o nc o l u m n ，a t m o s p h e r ed i s t i l l a t i o nc o l u m n ，a n dv a c u u md i s t i l l a t i o nc o l u m n a so p t i m i z a t i o nd e c i s i o nv a r i a b l e s ，a n dm a x i m u ma n n u a ln e tp r o f i ta so b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h e o p t i m i z a t i o ni sf i n i s h e d af o r t r a n c o d ei sp r o g r a m m e dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m o l lt h ep r o f l ip l a t f o r mw i t ht h es e c o n dd e v e l o p m e n t g o o do p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r e i m p l e m e n t e d b a s i c a l l yd a t ao fh o ta n dc o l ds t r e a m st h a tt r a n s f e rh e a tw i t he a c ho t h e ri nt h e a t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o np r o c e s sa r ce x t r a c t e d p i n c ha n a l y s i si sc a r r i e do u tf o rh e a t e x c h a n g e r sn e t w o r ko fa t m o s p h e r e v a c ：i i u l nd i s t i l l a t i o n c o m p o s i t ec u r v e s ，g r a n dc o m p o s i t e c u l v e s ，a n dd u t yc o n t r i b u t i o no fh o ta n dc o l ds t r e a mi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei n t e r v a l sa r e o b t a i n e d m i n l pm o d e lo f h e a te x c h a n g e r sn e t w o r ki sf o u n d e dw i t hm a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n gm e t h o d b r a n c ha n db o u n d m e t h o di sa p p l i e dt os o l v et h em i n l pm o d e l h e a t e x c h a n g e r sn e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a ma n dw i t h o u ts p l i t t i n g s t r e a ma r ea c h i e v e d a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ea r ec o m p a r e df o rb o t hh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k s s u g g e s t i o n s a r em a d eh o wt os e l e c tw h i c ho fh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k s d e t a i lr e s e a r c h e sa r es u m m a r i z e d a sb e l o w 1 a c c o r d i n gt oc r a f to fa t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o n ，e q u a t i o n sf o ro n es t a g e k n o w na sm e s he q u a t i o n s ，n a m e l y ，o v e r a l lm a t e r i a lb a l a n c e e q u a t i o n ，m a t e r i a lb a l a n c e e q u a t i o nf o re a c hc o m p o n e n t ，v a p o ra n dl i q u i de q u i l i b r i u mr e l a t i o n s h i pf o re a c hc o m p o n e n t ， s t o i c m o m e t r i cc o n s t r a i n t ，a n de n e r g yb a l a n c ee q u a t i o na r ef o r m u l a t e d s p re q u a t i o nf o rs t a t e e q u a t i o n ，a p ir e l a t i o n s h i pf o rc a l c u l a t i o no fl i q u i dd e n s i t y ，p r e t r om e t h o df o rc o m p u t eo f t r a n s f e rp r o p e r t y ，g l i t s c ha p p r o a c hf o rc a l c u l a t i o no fp r e s s u r ed r o po ff l o a tv a l v et r a y ，a n d s i m p l eh e a te x c h a n g e rm o d e lf o rc a l c u l a t i o no fh e a tt r a n s f c ra r es e l e c t e di nf l o ws i m u l a t i o n f i o wr a t e ，t e m p e r a t u r e ，a n dp r e s s u r eo fc a c hs t r e a ma r eo b t a i n e db ys o l u t i o no ft h em o d e l p r o f i l eo ft e m p e r a t u r e , v a p o ra n dl i q u i dr a t ev e r s u st r a yn u m b e r sr e f l e c tt h ed i s t i l l a t i o n p r o c e s sa n di n f l u e n c eo ff e e d s ，p r o d u c t s ，a n dc o o l i n gc y c l ei nt h em i d d l eo fc o l u m no nt h e d i s t i l l a t i o n p r o c e s sv e r yw e l l t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t hs p o t 常减压蒸馏流程模拟与优化及换热网络综合 t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t c r e d i t a b l er e s u l t so ff l o ws i m u l a t i o n sp m v i d ef l o wo p t i m i z a t i o n w i t hf i r mf o u n d a t i o n 2 b a s e do nt h ef l o ws i m u l a t i o n 。t a k e nt r a yn u m b e r s , f l o wr a t eo fc r u d e ，r c o m p o n e n t so fc r u d ey y ，e n t h a l p y ，p a r a m e t e ro fp r o d u c t s ，p a r a m e t e ro fc o o l i n gc y c l ei nt h e m i d d l ep a r to fc o l u m n ，a n dp a r a m e t e ro fs i d ec o l u m na sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa n dt a k e na l l p a r a m e t e rb e i n gg r e a t e rz e r oa si n e q u a l i t yc o n s t r a i n tc o n d i f i o 璐，t a k e nf e e dl o c a t i o n so f t o p p i n gd i s t i l l a t i o nc o l u m n ，a t m o s p h e r ed i s t i l l a t i o nc o l u m n ，a n dv a c u u md i s t i l l a t i o nc o l u m n a so p t i m i z a t i o nd e c i s i o nv a r i a b l e s ，t a k e nm a x i m u ma n n u a ln e tp r o f i ta so b j e c t i v ef u n c t i o n , o p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h em o d e li ss o l v e db yt h es e c o n dd e v e l o p m e n to f f o r t r a np r o g r a mo np r o p l a t f o r m e x p e c t e do p t i m i z a t i o nr e s u l ti sa c h i e v e d c o m p a r i s o no fp r o f i l eo ft e m p e r a t u r e , v a p o ra n dl i q u i df l o wr a t ev e r s u st r a yn u m b e r si n t o p p i n gd i s t i l l a t i o nc o l u m n , a t m o s p h e r ed i s t i l l a t i o nc o l u m n ，a n dv a c u u md i s t i l l a t i o nc o l u m n b e t w e e nf l o ww i t ho p t i m i z a t i o na n dw i t h o u to p t i m i z a t i o ni sd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a t p r o f d e sc o r r e c t l yr e f l e c ti n f l u e n c eo fc h a n g eo f f e e dl o c a t i o no nt h ed i s t i l l a t i o np r o c e s s 3 。t h er e s u l t sw i t ho p t i m i z a t i o na n dw i t h o u to p t i m i z a t i o ns h o wt h a tt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r eh a v e n o t g r e a tc h a n g ew h i c hm e a u st h eo p t i m i z a t i o n f l o w s a t i s f yp r o c e s s r e q u i r e m e n t t h em a j o rc h a n g ei sc h a n g e so fp r o d u c tf l o wr a t e a c c o r d i n gt op r i c eo f p r o d u c t s 。t h ef l o wr a t e so fh i g h e rp r i c ep r o d u c t si n e a s eg r e a t e rw h i l et h ef l o wr a t e so fl o w e r p r j c cp r o d u c t sd e a e a s e a l t h o u g hd e c r e a s eo f p u m pw o r kc o n t r i b u t et oi n h e r e o fa n n u a ln e t p r o f i t ，g e n e r a lp r o f i to fp r o d u c t sm a k e sm o s tc o n t r i b u t i o nt oi n h e r eo fa n n u a ln e tp r o f i t t h e i n e a s eo fa n n u a ln e tp r o f i tc o s tm c r e a s eo fh e a t i n gd u t ya n dc o o l i n gd u t y a n n u a ln e tp r o f i t o fo p t i m i z a t i o nf l o wi sh i g h e r4 0 7m i l l i o nr m bt h a nt h a to ff l o ww i t h o u to p t i m i z a t i o n 4 d a t ao f h o ta n dc o l ds t r e a me x t r a c t e df r o mt h eo p t i m i z a t i o nf l o wt o g e t h e ro t h e rs p o t h o ta n dc o l ds t r e a mc o n s t r u c th e a te x c h a n g e rn e t w o r k p i n c ha n a l y s i sf o rh e a te x c h a n g e r s n e t w o r ki sd o n e d u t yd i s t r i b u t i o n so fh o ta n dc o l ds t r e a mi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei n t e r v a l s a r eo b t a i n e d c o m p o s i t ec u r v e sa n dg r a n dc o m p o s i t ec u r v e sa r ep l o t t e d f o rh o ts t r e a m ，h o t e n dp r o v i d e sm o r eh e a td u t yt h a nc o l de n d j n z yc o n t r i b u t e sm o s tt ot h ew h o l eh e a td u t y a m o n ga l lh o ts t r e a m s f o rc o l ds t r e a m t h em a j o rs t r e a m sn e e d e dh e a td u t i e sa r ef r ya n d y y a n da r em o s t l yi nt h em i d d l ea n db o t t o mt e m p e r a t u r ei n t e r v a l s t h ec o m p o s i t ec l ：l l v e s a n dg r a n dc o m p o s i t ec u r v e ss h o wt h a ts m a l l e rh r a ti s ，l a r g e rr e c o v e r yh e a ti s ，s m a l l e r h e a t i n ga n dc o o l i n gu t i l i t i a sa x es u p p l i e d , s m a l l e rc a p i t a lc o s to fu t i l i t ya n da n n u a lo p e r a t i n g c o s to fh o ta n dc o l du t i l i t yi s b u tl a r g e ra r e ao fh e a tt r a n s f e ri sn e e d e dd u et ot h ei n c r e a s eo f h r a tw h i c hr e s u l ti ni n c r e a s eo fc a p i t a lc o s to fh e a te x c h a n g e r s i ts h o w st h a tt h ec a p i t a l c o s to fh e a te x c h a n g e r ss h o u l db ec o n s i d e r e db e s i d e sq u a n t i t yo fh e a tr e c o v e r y p i n c ho fh e a t e x c h a n g e r sn e t w o r kc h a n g e sf o rd i f f e r e n th r a t i v 大连理工大学博士学位论文 5 a p p l i e dm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ，m i n l pm o d e lf o rh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k i n c l u d i n ga l lo fh o ta n dc o l ds t r e a mi se s t a b l i s h e d t h em o d e li ss o l v e db yb r a n c ha n db o u n d m e t h o d t w ot y p e so fh e a te x c h a n g e r sn e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a ma n dw i t h o u ts p l i t t i n g s t r e a ma r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y f o rh e a te x c h a n g e r sn e t w o r kw i t h o u ts p l i t t i n gs t r e a m ，i n l e t a n do u t l e tt e m p e r a t u r e ，d u t y ，a n da r e ao fh e a tt r a n s f e ro fh e a te x c h a n g e r , h e a t e r , a n dc o o l e r a r cp r e s e n t e d n e t w o r kw i t h o u ts p l i t t i n gs t r e a mh a s1 4 2h e a te x c h a n g e r s ，8c o o l e r s ，a n d8 h e a t e r s f o rh e a te x c h a n g e r sn e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a m ，i n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r e ，f l o w f f a c i o n ，d u t y ，a n da r e ao fh e a tt r a n s f e ro fh e a te x c h a n g e r ，h e a t e r , a n dc o o l e ra r ea l s o p r e s e n t e d n e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a mh a s3 4h e a te x c h a n g e r s ，8c o o l e r s ，4h e a t e r s ，1 1 s p l i t t e r s ，a n d1 1m i x e r s g r i dp l o t sf o rn e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a ma n dw i t h o u ts p l i t t i n g s t r e a ma l eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y g r i dp l o t sc o u l dm a k ec l e a rs i t u a t i o no fh e a t 臼螂f e ff o r b o t hh o ts t r e a ma n dc o l ds t r e a mi n c l u d i n gi n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r e ，f l o wr a t e ，d u t y ，a r e ao f h e a tt r a n s f e r , a n df l o wh a d i o n c o m p a r e db o t ht y p e so fn e t w o r k , t o t a ld u t i e so fb o t h n e t w o r k sa r es a m e ，c a p i t a lc o s ta n da n n u a lo p e r a t i n gc o s to fh e a t i n gu t i l i t ya n dc o o l i n gu t i l i t y i nb o t hn e t w o r k sa r ea l s oc l o s e ，b u tt o t a la r e ao fh e a tt r a n s f c ri nn e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a m i sg r e a t e rt h a nt h a to fh e a tt r a n s f o ri nn e t w o r kw i t h o u ts p l i t t i n gs t r e a m m o r ea r e ar e s u l t si n m o r ec a p i t a lc o s to fn e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a m n e t w o r kw i t h o u ts p l i t t i n gs t r e a mh a s a d v a n t a g eo fe c o n o m yb e n e f i t h o w e v e r , n e t w o r kw i t h o u ts p l i t t i n gs t r e a mh a sm o r eh e a t e x c h a n g e r sa n di s l a c ko ff l e x i b i l i t yw h i l en e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a mh a sl e s sh e a t e x c h a n g e ra n df l e x i b i l i t yi no p e r a t i o nt h r o u g ha d j u s t i n gf l o wr a t e t a k e nc o n s i d e r a t i o no f l o n gp e r i o di n v e s t m e n ta n df l e x i b i l i t yo fa t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o ne q u i p m e n t ，n e t w o r k w i t hs p l i t t i n gs t r e a mi ss e l e c t e db ym o s te n t e r p r i s e s t h ec o m p a r i s o n so fh e a tr e c o v e r y ，a r e a o fh e a tt r a n s f e r , c a p i m lc o s t ，a n da n n u a lo p e r a t e r i n gc o s to f u t i l i t yb e t w e e np i n c ha n a l y s i sa n d m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n ga p p r o a c ha r ei m p l e m e n t e d t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o nt a k e st h ef l o ws i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o na n ds y n t h e s i so fh e a t e x c h a n g e r sn e t w o r ko fa t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o na s t h er e s e a r c h a p p l i e dt h e o r yo f f l o ws i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，a n ds y n t h e s i so fh e a te x c h a n g e r sn e t w o r kt os i m u l a t ea n d o p t i m i z et h ed i s t i l l a t i o np r o c e s s ，t oi n t e g r a t eh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k , t h eo p t i m i z a t i o nf l o w w i t hm a x i m u ma n n u a lp r o f i ta n dh e a te x c h a n g e rn e t w o r kw i t hs p l i t t i n gs t r e a ma n dw i t h o u t s p l i t t i n gs t r e a mh a v i n gm i n i m u ma n n u mc o s ta r eo b t a i n e d t h ec o m p a r i s o no fr e s u l t so fp i n c h a n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n ga p p r o a c ha r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：a t m o s p h e r e v a c u u md i s t i l l a t i o n ；f l o ws i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ；h e a t e x c h a n g e r sn e t w o r k ；s y n t h e s i s v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博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 对本研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。 作者签名：葛墨：匙日期：作者签名：鱼墨：毡日期： 加7 1 盘2 9 奎垄里王查堂堡主生兰笪笙苎 一 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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 盏坐 鲨z 年卫月丝日 1 2 4 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 本章简要介绍化工过程系统工程研究领域，阐述化工过程流程模拟与优化在化工过 程系统工程的基础地位，综述了流程模拟和优化方法；阐述换热网络综合是化工过程综 合的重要分支之一，对换热网络启发试探法、数学规划法和人工智能法的特点和优点进 行了评述；提出本文以常减压蒸馏流程模拟与优化及其换热网络综合为研究内容。 1 1 化工过程流程模拟与优化及换热网络综合研究背景与课题意义 能源是人类生存和发展的基本条件之一。当今世界各国政府都十分重视能源的开 发、利用以及对环境的影响。某种意义上讲，能源的消费结构、综合利用程度、人均消 耗水平标志着一个国家和社会的技术水平、生活水平和文明程度。 随着人类社会人口和经济的发展，能源供应安全已经成为世界各国政府关注的焦点 1 1 】。到2 1 0 0 年，全球人口将达到1 0 4 亿【2 】，按中等经济发展速度，全球g d p 将接近1 9 9 0 年的1 1 倍【3 l 。据美国能源部2 0 0 4 年度国际能源展望报道，到2 0 2 5 年，全球能源消 费将比2 0 0 1 年增长5 4 ，工业国家的能源消费将以平均每年1 2 的速度增长，而包括 中国和印度在内的发展中国家的能源需求将比目前增加一倍，占全球能源需求增长量的 4 0 和发展中国家增长量的7 0 。目前世界的能源主要还是依赖于化石燃料，如：煤、 石油和天然气。为了满足人类社会和经济的发展，能源需求快速增长，以化石燃料为代 表的传统能源日益枯竭，势必进一步加剧能源供应紧张局势。从最近几年的国际政治、 经济和外交趋势分析，加强能源对话、交流和合作成为世界各国之间政治交往的重点。 虽然我国能源丰富，但人均能源可采储量远低于世界平均水平。2 0 0 0 年人均石油开 采储量只有2 6 吨，人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，人均煤炭可采储量9 0 吨，分别 为世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 1 4 1 。根据我国政府对经济增长和发展期望预计， 到2 0 5 0 年，人口将从2 0 0 0 年的1 3 亿增加到1 5 8 亿，城市化水平将从3 1 提高到7 0 ， g d p 将从1 1 0 4 万亿美元上升到1 3 9 万亿美元l - s 。我国社会和经济的快速发展，对能源 大需求将是巨大的，能源问题将成为我国社会和经济能否快速、健康发展的关键。 综观国内外能源形势，世界各国都在调整自己的能源政策，以适应各自国家发展和 需要。我国在制定国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要时明确提出了国家在下一 个五年计划内的能源工作的重点。“坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利 用、资源化的原则，在资源开采、生产消耗、废物产生、消费等环节，逐步建立全社会 的资源循环利用体系”1 6 1 。“强化能源节约和高效利用的政策导向，加大节能力度”1 6 j 。 “通过优化产业结构特别是降低高耗能产业比重，实现结构节能：通过开发推广节能技 术，实现技术节能；通过加强能源生产、运输、消费各环节的制度建设和监管，实现管 理节能。突出抓好钢铁、有色、煤炭、电力、化工、建材等行业和耗能大户的节能工作” 常减压蒸馏流程模拟与优化及换热网络综合 1 6 1 。国家在制定中长期科学和技术发展规划纲要时把能源问题列入重点领域以及优先主 趔7 。国家对现阶段能源和节能工作作出了全面部署，提出了节能要靠产业结构优化和 节能技术推广，明确了能源和节能工作的方向和重点领域。 化工过程广义上包括化工、石油加工、冶金、轻工、废弃物处理等生产过程，是能 源密集型工艺过程。石油加工作为我国国民经济的重要支柱之一，在保证我国经济和社 会发展方面作出了重要贡献。石油加工企业既是产能大户，同时也是耗能大户。近