（化学工程专业论文）间歇过程用水网络综合研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 由于水资源的逐年匮乏和环境污染的日趋严重，减少新鲜水用量和降低废水排放量 刻不容缓。水网络综合通过水的回用、再生回用及再生再循环等方式，达到节水减排的 目的，因此水网络的研究引起人们的普遍关注，间歇化工操作广泛应用于食品，药物化 学，有机合成及精细化工行业，因此间歇过程用水网络综合成为近十年来一个新的研究 热点。 与连续过程相比，间歇过程的操作条件及用水状况受到时间的限制，水的回用机会 减少，利用率低，而中间储罐能够有效降低时间限制。在间歇用水过程中，先开始操作 的用水单元结束后，废水排入中间储罐，后面的操作单元开始用水时，储罐中的水可作 为水源进行水的回用，从而消除了单元之间由于开始和结束操作存在时间差造成水不能 回用的限制，大大提高了水的重复利用率。本文在全面分析已有的间歇用水网络研究的 基础上，主要对间歇过程的最小新鲜水量和中间储罐的数目、体积进行了研究，采用数 学规划法，得到单一周期和循环周期的最小新鲜水用量和最优的用水网络。主要内容如 下： ( 1 ) 以最小新鲜水用量为目标对间歇过程用水网络进行综合。将各用水单元按操 作结束时间的先后排序，排在前面的操作，出口流股作为后面操作的水源，相同浓度的 水排往同一个中间储罐，浓度最大的流股作废水处理，禁止浓度高的流股回用给出口浓 度低的用水单元，考虑传质平衡，入口浓度限制等约束条件，建立非线性规划数学模型， 利用g a m s 软件对数学模型进行求解，计算得到最小新鲜水用量，然后利用各水源在 储罐中存储的时间差，合并中间储罐，得到最终的用水网络结构。通过对文献中三个不 同类型的实例的求解验证本方法的可行性。 ( 2 ) 在保证新鲜水用量最小的同时进行了考虑中间储罐数目最小的间歇过程用水 网络研究，将储罐数目作为优化变量，允许不同浓度的水源在中间储罐中混合，考虑水 源混合和分配的所有可行方案，从而克服了上面方法在优化多单元复杂间歇过程用水网 络时出现中间储罐数目和连接流股增多等不足。这样储罐中水的浓度和体积会随着时间 的变化而变化，并影响整个间歇过程的用水情况。以最小用水量为目标函数，建立水源 混和的数学模型，对间歇过程用水网络进行优化，并计算各时间点储罐中水源的浓度和 体积，得到最优的用水网络结构。 关键词：用水网络；间歇过程；中间储罐；时间约束；优化 间歇过程用水网络综合研究 s t u d yo ns y n t h e s i so fw a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r ki nb a t c hp r o c e s s e s a b s t r a c t d u et ot h es c a r c i t yo fw a t e rr e s o u l c ea n ds e r i o t i se n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , r e d u c i n gf r e s h w a t e ra n dw a s t e w a t e rb e c o m e sag r e a tm a t t e ro fu r g e n c y s y n t h e s i so fw a t e rn e t w o r kh a s b 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 u r c eu t i l i t ya n dr e d u c i n g t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb yw a t e rr e u s e ，r e g e n e r a t i o nr e u s ea sw e l la sr e g e n e r a t i o nr e c y c l e s ot h er e s e a r c hi nw a t e rn e t w o r kd e s i g nh a sa c h i e v e dg r e a tp r o g r e s s b a t c hp r o d u c t i o ni s a p p l i e dw i d e l yf o rf o o d m e d i c i n ec h e m i c a l sa n df i n ec h e m i c a l s n l e r e f o r ec o n s i d e r a b l e a t t e n t i o nh a sa l s ob e e nd e d i c a t e dt ot h es y n t h e s i so fb a t c hw a t e rn e t w o r k sw i t h i nr e c e n t d e c a d e c o m p a r e dt oc o n t i n u o u sp r o c e s s e s 也e r ei sat i m ec o n s t r a i n tt ob es a t i s f i e di nb a t c h p r o c e s s e s i na d d i t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o nc o n s t r a i n t c e n t e rr e u s a b l ew a t e rs t o r a g e sc a nd e a l 砸t lt h et i m ec o n s t r a i n te f f e c t i v e l ya n de n h a n t et h ew a t e rr e c o v e r y i nb a t c h p r o c e s s e s ，w h e n t h ew a t e r - u s i n go p e r a t i o nf i n i s h e s ，w a s t e w a t e ri s d e p o s i t e di ns t o r a g e s i t i sr e u s e dt o f o l l o w i n gu n i t sa sw a t e rr e s o u r c e s a n dt h er e s o u r c e sc a nb eu t i l i z e dw i t h i nt h ew h o l ep r o c e s s n l eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fw a t e ri si m p r o v e dg r e a t l y t 1 1 i sp a p e rp r e s e n t san o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ( n l p ) m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rf r e s h w a t e ra n dw a s t e w a t e rm i n i m i z a t i o ni n b a t c hp r o c e s s e sw i t hc e n t e rr e u s a b l ew a t e rs t o r a g e s t h em i n i m i z a t i o no ff r e s hw a t e ri s a c h i e v e dt h r o u g ht h ee x p l o i t a t i o no fr e u s ea n dm c y c l eo p p o r t u n i t i e s n l 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 st ot h es y n t h e s i so fw a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r ki nb a t c hp r o c e s s e s ，t h i sp a p e r p r e s e n t san l pm a t h e m a t i c sf o r m u l a t i o nf o rf r e s h w a t e rm i n i m i z a t i o n w a t e ru s i n gu n i t sa r e a r r a n g e da c c o r d i n gt ot i m e 1 1 圮w a s t e w a t e rf r o mt h eu n i t si su s e dt ow a t e rr e s o u r c e sf o r f o l l o w i n gu n i t s 1 1 1 es t r e a m sw i 吐lt h es a m ec o n c e n t r a t i o na r ed e p o s i t e di nt h es a m es t o r a g e i t i sf o r b i d d e nt or e u s et ot h eu n i tw h i c hc o n c e n t r a t i o ni sl o w e rt h a nw a t e rr e s o u r c e t h en l p m a t h e m a t i c sm o d e li sc o n s i d e r e da c c o r d i n gt om a s sl o a d i n l e tc o n c e n t r a t i o nc o n s t r a i n t 1 1 1 e n w es o l v et h em a t h e m a t i c sm o d e lb yg a m sa n do b t a i nt h em i n i m u mf r e s h w a t e r t h e nw e i n c o r p o r a t es t o r a g e sa n dr e m o v et h er e d u n d a n ts t r e a m sb yt i m ea n do b t a i nt h eo p t i m a lw a t e r n e t w o r k t h ep r o p o s e dm e t h o di sd e m o n s t r a t e dw i t l lt h r e ee x a m p l e s ( 2 ) w a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r ki nb a t c hp r o c e s s e sc o n s i d e r i n gm i n i m u mt h en u m b e ro f s t o r a g e si si n v e s t i g a t e dw h i l eg u a r a n t e e i n gt h et a r g e tf o rm i n i m u mf r e s h w a t e r a l lt h ew a t e r r e s o u r c e sw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nc a nb em i x e da n ds t o r e di ne a c hs t o r a g e t h en u m b e r 大连理工大学硕士学位论文 o fs t o r a g e si st a k e na so p t i m a lv a r i a b l e s t h ev o l u m ea n dc o n c e n t r a t i o no fs t o r a g ew a t e rw i l l c h a n g eo nd i f f e r e n tt i m e a n di tc a l la f f e c tt h ew a t e rr e u s ec o n d i t i o na n df l e s hw a t e r f l o w r a t e t i l i sp a p e rp r e s e n t sas u p e r s t r u c t u r eo fw a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r ka n dan o n - l i n ep r o g r a m m i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l t h em o d e l i st od e t e r m i n et h em i n i m u mf l e s hw a t e ra st h em a i na i m ，t h e n u m b e ro fs t o r a g e s v o l u m ea n dc o n c e n t r a t i o no fw a t e ri ns t o r a g e sa so p t i m a lv a r i a b l e s w e o p t i m i z et h eb a t c hw a t e ru t i l i z a t i o np r o c e s sa n de s t a b l i s h t h em i n i m u mf - r e s hw a t e r k e y w o r d s ：w a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r k ；b a t c hp r o c e s s ：c e n t e rr e u s a b l ew a t e rs t o r a g e ； t i m ec o n s t r a i n t ；o p t i m i z a t i o n 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：日期：型星：多；僖 大连理工大学硕七研究生学位论文 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：砂馑强 导师签名：新健导师签名： 丛i坚 大连理工大学硕士学位论文 己- i吉 dl口 水资源是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一，也是人类社会及其经济活 动发展中的重要因素，同时又是战略性经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。 水资源在过程工业的发展中占有极为重要的地位，是人类赖以生存和发展的重要资源。 水资源的能否可持续利用直接关系到我国可持续发展战略的实施，也是过程系统工程学 的发展所面临的新的重大科技问题。 一、水资源概述 地球表面有2 3 的面积被水覆盖，但淡水资源仅占所有水资源的2 5 ，而其中又有 8 7 是人类难以利用的两极冰盖、冰川，其余多为土壤水分或深层地下水，不能被利用， 人类可以直接利用的水仅占总水量的0 0 1 4 【1 】。 我国人均淡水资源只占世界入均淡水资源的四分之一，是一个严重缺水国家，水资 源分布还有以下特点： 空间分布极不均衡，南多北少； 时间分布也极不均衡，降雨主要集中于夏季； 江河高泥沙含量是我国水资源的一个突出问题； 气候变化对我国水资源的影响大，呈现北旱南涝的局面。 水资源问题不仅影响社会的可持续发展，而且成为2 l 世纪全球资源环境的首要问 题，直接威胁着人类的生存和发展。应对水资源的短缺需要从开源和节流两个方面来努 力。开源，即发掘和发现新的资源或者是利用已经存在但没有被利用的水源，比如南水 北调、海水淡化等，但是总的来说后备水资源开发利用难度较大，技术要求高，另外， 水资源并不是取之不尽用之不竭的。因此节流才是解决水资源短缺的根本出路，也是可 持续发展的必然选择。节约用水就是提高水的利用效率，减少浪费，协调水资源与社会、 经济、环境关系的行动，节水并不主要是采取限制用水，而是应大力提倡合理用水和高 效率用水。用水网络综合属于过程集成的一种，是把整个企业的用水操作作为一个有机 的整体来对待，考虑如何分配各用水单元的水量和水质，以使系统水的重复利用率达到 最大，同时废水的排放量达到最小，因此用水网络的综合能有效节约用水、减少废水排 放、保护环境。 二、论文选题的意义和研究内容 水危机已经引起了世界的普遍关注，它不仅在很大程度上影响社会经济的发展，而 间歇过程用水网络综合研究 且直接关系到人类的生存环境和自身的发展，如何积极有效地解决这个危机成为刻不容 缓的问题。水资源的高效利用本质上是一个过程系统集成问题，必须应用系统工程的原 理和方法才能有效地解决水的综合利用问题。以往人们的研究集中在连续过程水分配网 络的优化综合，对用水网络、废水处理网络、具有能量集成的用水网络以及柔性分析做 了细致深入的研究，并取得了很大进展，但对间歇过程用水网络研究很少，直至u 1 9 9 5 年 才由y p w a n g 和r s m i t h i s l l 首次提出间歇操作过程中的用水最小化方法。间歇过程由 于受时间因素制约其用水状况，所以连续过程水网络综合的方法不能直接用于间歇过程 水网络综合，因此本文对间歇过程用水网络综合进行比较深入的研究，以期减少过程新 鲜水用量，降低污染物排放，具有重要的理论意义和现实意义。本文的研究内容如下： 第一章系统地阐述了水网络综合的概念和方法；简要介绍连续过程水网络的研究， 重点介绍了间歇用水过程的研究进展，并对研究成果进行分析，便于对其进行深入的研 究。 第二章以最小新鲜水用量为优化目标对间歇过程用水网络进行研究，提出非线性规 划数学模型优化用水网络，将相同浓度的水排往同一个中间储罐，浓度最大的流股作废 水处理，禁止浓度高的流股回用给出口浓度低的用水单元，判断不可能的连接流股，减 化超结构。以最小新鲜水用量为目标函数，求解最优用水网络结构。 第三章针对上面方法求解多单元复杂间歇用水网络时出现中间储罐数目和连接流 股增多等不足，在保证新鲜水用量最小的同时进行了考虑中间储罐数目最小。将储罐数 目作为优化变量，提出允许不同浓度的流股在中间储罐中混合的方法，减少储罐数量和 连接流股数量，计算各时间点储罐水源的浓度和体积，得到操作单元进口流股的浓度和 用水量，以最小新鲜水量为目标函数，建立水源混和的数学模型，优化用水网络。 第四章汇总论文的主要结论，并作了展望，指出多杂质用水网络和考虑总费用的间 歇用水过程优化是下一步的研究重点。 大连理丁大学硕士学位论文 1 文献综述 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 ) 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。1 9 8 8 年美国权威专家编写 的“f r o n t i e r si nc h e m i c a le n g i n e e r i n g ：r e s e a r c hn e e d sa n do p p o r t u n i t i e s ”将之定义为【2 】：“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 】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。i ! t r u d d l 4 1 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【5 j 。 换热器网络综合 分离过程综合 反应路径综合 反应器网络综合 公用工程系统综合 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! 1 1 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 究方法应用于质量交换网络，推动了质量交换网络综合的快速发展。水网络作为一种特 间歇过程用水网络综合研究 殊的质量交换网络，自1 9 8 0 年，t a k a m a 2 4 1 等发表第一篇关于水分配网络优化的文章开 始，已经由八十年代初的蹒跚起步阶段逐步发展成为一个成熟的领域，而间歇过程用水 网络优化设计则成为近十年的一个研究热点。 1 2 过程综合的研究方法 过程集成是从过程综合中发展起来的一个概念。最初的过程集成是指从能量流的角 度研究过程系统的设计优化，在七十年代初第二次石油危机后得到了迅速发展。进入八 十年代后该概念已经扩展，不再仅仅局限于能量流的优化，而是泛指从系统的角度进行 设计优化，因此过程集成可看作是过程设计所采用的系统的方法和策略，负责过程综合、 过程分析和过程优化的相互协调。目前，过程集成技术研究非常活跃，无论在集成设计 策略、集成设计方法及工具，还是在面向工业的实际应用方面都渐趋成熟。 过程集成为水网络系统的研究提供直接的方法和工具，如层次设计法、模拟分析法、 夹点分析法和数学规划法【6 。1 引，具体介绍如下。 1 2 1 层次分析法 过程设计固有的层次性使层次设计法成为不可缺少的工具。这种方法将过程设计分 成若干层次，在每一层次中提出若干需要决策的问题。这种方法利用的效率将取决于对 所解决问题的认识程度，以及对已有知识、经验和技术的利用程度。但由于这种方法只 是定性地探讨问题，不能解决需要定量计算、仔细比较权衡才能决策的问题。因此，只 适用于过程设计的早期概念设计阶段。此外，它不能保证得到问题的最优解。d o u g l a s 1 1 1 将废物最小化的过程综合分为8 个层次：输入信息、流程的输入输出结构、流程的循环 结构、分离系统的确定( 相分离、蒸汽回收系统、液体回收系统、固体回收系统) 、能 量集成、方法评价、弹性和控制、安全。 1 2 2 夹点分析法 夹点分析法是在能源危机的背景下，以英m l i n n h o 1 2 , 1 3 】为代表从7 0 年代末发展起 来的，最初用于换热网络设计，以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量沿 温度的分步，从中发现系统用能的“瓶颈所在，并给以“解瓶颈 的一种方法。夹点 分析法目前广泛地应用于目标设定上，成为工艺流程设计和模拟之上游的过程概念设计 的通用方法。水夹点技术以整个系统新鲜水用量和废水产生量最小为目标设计系统用水 网络。与能量回收中夹点技术相类似，水夹点技术利用c m 图法( c o n c e n t r a t i o n m a s s t r a n s f e r r e d ) 和c i d 法( c o m p o s i t i o n - i n t e r v a ld i a g r a m ) 确定水夹点位置，水夹点处所对应的 大连理工大学硕十学位论文 流量即为最小新鲜水用量。 1 2 3 模拟分析法 过程模拟是计算机工业化应用中最为基础，发展最为成熟的技术。从系统工程角度 来看，一个大型工厂是由一些不同层次的子系统组成，因此，就化工过程模拟而言，也 就有不同层次的过程模拟，即分子模拟、传递过程及反应动力学模拟、单元操作及反应 器模拟、流程模拟 z 4 , t 5 】。而废水最小化过程中用到更多的是流程模拟，将一个由许多单 元过程组成的流程用数学模型表现，并在计算机上解算其物料及能量衡算，并进一步计 算各单元设备尺寸及成本的模拟称为流程模拟。流程模拟有三种模型化方法：序贯模块 法( 代表软件a s p e np l u s 、p r o i i 、h y s i s 、c h c r n c a d ) 、联立模块法和联立方程 法( 代表软件s p e e d u p ) 。模型化发展的方向是把序贯模块法的通用性和联立方程法 的适应灵活性结合到一个面向对象的模型化环境中去。废水最小化研究过程中，具体到 某个单元过程、某个工序或整个工厂都需要借助于过程模拟软件来分析和确认废水最小 化的机会。尤其是对一些m g 1 1 级对环境影响非常大的污染物更需要采用严格模型的模 拟软件帮助，麻省理工学院开发的用于废水处理的s u p e f p r 0 【1 6 1 软件对此有很好的处理。 但如何更有效地应用过程模拟一直是过程综合领域中的难点，近年来兴起的进化算法为 此提供了契机。 1 2 4 数学规划法 数学规划是实现同步优化设计策略的主要工具，对于建立良好的超结构求解和优化 甚为有效，成为过程集成研究的热点【1 7 】。数学规划法首先要建立包含所有较好的可行方 案的超结构，然后形成一个数学规划模型，其中连续变量表示操作条件而离散变量表示 结构的选择，最后是求解优化模型，获得最优解。通常的数学规划模型如下所示： m i n z = f ( x ，y ) ( 1 1 ) x , y s t 五k y ) = 0 g b ，y j 0( 1 2 ) x x ，夕 o ，1 ) 其中厂g ，y ) 是目标函数，j i l g ，y ) - o 是等式约束用来描述系统的行为( 质量和热量平衡， 设计方程等) ，g g ，j ，) 0 是不等式约束用来定义满足可行解的限制条件。工是连续变 量，通常对应状态或设计变量；y 是离散变量，取0 或l 值表示方案的选择。参数优化 【1 8 】和多目标规划【1 9 】为寻求经济和环境协调优化提供了直接的工具，灵敏度分析和参数优 间歇过程用水网络综合研究 化以自然的方式处理环境因素带来的不确定性，多目标优化则 捌可以直接处理环境影响 最小化的多目标问题。 1 。2 5 复合型方法 上面所述的过程集成方法具有各自的适用范围，同时又有一定的互补性。过程集成 不单在所包含的各自技术上进一步发展，建立一定的框架将不同方法加以组合也成为必 然的发展趋势。复合型方法的一个显著特点是层次设计和数学规划的同时采用，前者用 于克服概念设计的复杂性，而后者则可达到同步设计的优点f 2 l 】。另外，将层次分析、夹 点技术、数学规划法结合也得到了广泛的应用【2 2 2 3 1 。 1 3 水网络优化的研究进展 与质量交换网络综合类似，用水网络优化是指过程富流股与水直接接触，流股中的 杂质在传质推动力的作用下进入水中，水经过重复利用进入废水处理单元，使之在满足 传质负荷、环境限制等约束条件下综合得到用水网络结构。其示意图如图1 1 所示： 富流股 厶 一p 土质量上传递土 1 ， c 一 石 水 图1 1 水网络示葸图 f i g 1 1 s k e t c hc h a r to fw a t e rn e t w o r k s 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，在用水网络中，贫流股特指水。 1 3 。1 用水网络的研究 用水网络作为一种特殊的质量交换网络，对于它的研究最早始于1 9 8 0 年，t a k a m a 2 4 等人首先对一个石油炼厂的用水系统进行了较为深入的研究。在文章中作者指出包括水 回用的整个水分配网络系统优化设计应该包括用水系统和废水治理系统，它建立了包括 上述两者的水分配网络超结构，并且通过去掉一些不相关的和不经济的连接减少系统结 构。1 9 9 4 年，英国曼彻斯特大学科学技术研究所的w a n g 和s m i n l 【2 6 】等人在研究化工过程 废水最小化问题时，在l i n n h o f f 和h i n d m a r h t 2 8 】提出的用于系统能量回收的夹点概念的基 础之上，引入了e 1 h a l w a g i t 2 5 】等人传质网络的思想，提出了水夹点技术。w a n g 和 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 s m i t h 2 6 , 2 7 对用水网络的设计提出了两种方法：最大传质推动力法( m a x i m u md r i v i n g f o r c e ) 。这种方法是使过程物流中的杂质和与之相接触的水的杂质浓度之差尽可能达到 最大，即得到最大的传质推动力。最小水源数法( m i n i m u mn u m b e ro f w a t e rs o t l r c e $ ) 。 此方法通过走旁路和混合使水得到最大程度的再利用，从而使用水单元数达到最小。 在解决多杂质问题上， w a n g 和s m i t h 提出了“浓度转移”的方法，如式( 1 3 ) 。 但是这种方法仅能处理小规模问题，而且不能给出具体的回用匹配方案。 鱼：! 二鱼：堡：鱼：! 二鱼：生：鱼：! 二鱼：垫 ( 1 3 ) 一=：-一=一 i ， c 沮俐一c i _ | i ic 1 8 删一c 沮细c i c 删一c j i i i 此外，w a n g 和s m i t h 考虑夹点处水源的再利用，对用水网络进行了优化设计，且对简单 的完全再生、部分再生进行了研究。 1 9 9 9 年h u a n g 2 9 】等建立了n l p 模型用于用水网络的设计，首先建立含有n 个用水 单元的用水网络超结构，然后对每个用水单元过程建模求解。但以上的各种数学优化方 法无法保证所得解的最优性。2 0 0 4 年，p r a k o t p o l 和s r i n o p h a k u n l 3 0 】给出了基于遗传算法 的夹点分析法( 简称g a p i n c h ) ，来解决水网络设计中的m i n l p 问题。2 0 0 5 年，e d w 莉【3 i 】 提出了一种c a n d a g a 算法来设计用水网络，该算法主要创新点在于提出了网络设计 选取初值的方法。 1 3 2 废水处理网络的研究 目前，过程工业中的废水大多采用集中式处理，即来自不同过程的废水全部收集在 同一废水池中，然后依次经过物理、化学、以及生物处理后排放。许多人认识到分布式 废水处理可能比集中式处理有更大的优势。 m c l a u g h l i n t 3 2 】等证实大多数废物处理操作的基建费与流经废水的流量呈正比且处 理的操作费用随给定质量负荷污染物浓度的降低而增加。如果两个废水流股含有不同的 污染物浓度，采用分布式废水处理比集中式废水处理在基建费和操作费上都要节省，但 如果两个废水流股含有相同的污染物浓度则采用集中式处理更合理。1 9 9 4 年，y p w a n g 和r s m i t h 3 3 】提出废水处理系统的设计程序：一开始使废水流股分开处理，而后只有在 合适的时候才使流股混合处理。当这条策略被执行时，污水处理系统就变成了分布式而 不是集中式，同集中式污水处理系统相比，分布式污水处理系统可明显地降低投资费和 操作费。2 0 0 3 年，李英瞰】提出了水夹点分析和数学规划法相结合的废水网络最优设计法。 水夹点分析基于对过程用水的理解，获得新鲜水用量目标并给出用水网络设计的基本规 则。采用通用代数建模系统g a m s 和自适应模拟退火遗传算法得到废水网络最优设计方 案。充分发挥水夹点分析确定新鲜水用量或回用结构的简洁实用性和超结构m i n l p 寻求 间歇过程用永网络综合研究 最佳方案的优点。 近几年，随着高级算法的发展，废水处理网络的求解方法也逐渐丰富。2 0 0 5 年， o ”z e r t 3 5 1 等提出了运用人工神经网络评价废水处理厂废水处理操作的可行方法。v a s i l e 1 3 6 1 等提出了运用遗传算法求解废水处理网络。同样还有运用粒子群算法求解废水网络设计 的研究。 1 3 3 具有能量集成的水分配网络设计研究 通过对水分配网络( w a n ) 问题的研究，人们发现即使在相同的最小用水量条件下 满足单元操作温度所需的能量也不相同。美国的b a g a j e w i c z 【3 7 】以及s a v u l e s c u c 和s m i t h t 3 8 1 在这方面作了有益的尝试。 s a v u l e s c u 和s m i t h 在1 9 9 8 年试图利用图表方法去设计一个能量集成的用水网络，但 是这一方法似乎不适合在工业实例中的应用。他们提出的方法分以下几个步骤进行： ( 1 ) 获得水分配网络，同时通过混合最大化能量传递。在这一步骤中，作者使用 了双维格子图( t w od i m e n s i o n f lg r i dd i a g r a m ，t d g d ) 的概念。应用一定的回用规则， 即从温位最高的热源开始，与温位接近的过程相连，属非绝热混合； ( 2 ) 构造能量组合曲线，确定最小公用工程。同时假定所有新鲜水作为单一流股 输送到过程中，所有去处理单元的废水混合。然后应用匹配规则对能量组合曲线进行匹 配。 该方法在深入问题的基础上提供了一个基本的设计过程。这个过程基本考虑到了设 计网络可能遇到的复杂因素，同时对复杂问题做了适当的简化。 2 0 0 1 年，b a g a j e w i e z 等采用“状态空间( s t a t es p a c e ) ”法来设计一个严格废水最小 化和公用工程消耗最小化的网络。他们首先利用水网络线性规划模型获得了具有最小用 水量的水网络，接着利用换热网络m i n l p 模型来解决这一确定水网络的能量集成问题。 模型中允许操作单元与操作单元之间的连接换热匹配，并且考虑到了那些由于工艺问题 禁止换热匹配的单元。 2 0 0 4 年，都健【3 9 】及孟小琼【删将水网络中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。2 0 0 5 年，t o s h k o 【4 i j 基于夹点技术同时考虑能量和质量集成的优化方法。优化参数包括能量负荷和系统结构 的变化。设计目标为最大的蒸汽能量回收和最小的冷却水流量，运用这种方法实现用水 最小化的同时实现能量的回收。 一8 一 大连理下大学硕士学位论文 1 3 4 水网络柔性分析研究 柔性是指实际生产过程对不确定因素影响所承受的能力。在化工生产和设计过程 中，存在着许多不确定因素，这些不确定因素可能来自于系统内部也可能来自于系统外 部。在设计时不仅要满足设计点的要求，而且在不确定参数变化范围内都要满足。 常用的柔性表示方法有s w a n e y 和g r o s s m a n n 4 2 4 3 】提出的柔性指数法和m a r i t h i g i e r a p e t r i t o r t 州提出的可行凸壳比率。随着柔性设计理论的成熟，在化工领域当中的应 用逐渐增多。早期的应用主要在精馏塔【4 5 】的设计当中，随后在换热网络中的应用也很多， 其中比较著名的有，h o h r n a n n 拍】等提出的网络灵敏度分析，m a r s e l l e 4 7 1 等人提出的弹 性换热网络综合方法，以及l i n r l h o f i d 4 8 等提出的“下游途径”和“灵敏度表 。 2 0 0 3 年，王洪卫【4 9 】结合水网络的特点，将柔性分析的思想应用于水网络研究中。通 过计算水分配网络的柔性指数f ，对现有水网络进行柔性分析，判断是否满足柔性要求， 并对水分配网络进行改进，使其满足实际生产需要。此外，还提出了考虑柔性的水网络 设计方法，通过提高系统柔性所产生的效益和所需增加的费用，求不同柔性指数和与其 相应的净效益的关联曲线，并利用关联曲线确定最佳柔性设计。另外，还将灵敏度理论 应用于水网络柔性分析中，利用灵敏度分析的方法，确定最佳调节设计变量选择原则， 找出最佳调节设计变量，使所需增加的新鲜水量最小。 1 4 间歇过程用水网络综合 1 4 1 间歇化工过程 习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程，粗略划分为完全间歇操作过程，半间歇 操作过程和半连续操作过程。间歇过程通常被定义为“将有限量的物料，按规定的加工 顺序，在一个或多个设备中加工，以获得有限量的加工过程。如果需要更多的产品，必 须重复该过程” 5 0 1 。图1 2 为典型的间歇化工过程。 间歇过程与连续过程相比，具有较高的生产灵活性和操作柔性，特别适合用于小批 量、高附加值化学品的生产，如药物、食品材料以及精细、特殊化学品的生产。据统计 化工市场间歇过程制品已占4 5 成，而6 5 以上的食品饮料、8 0 的药品也都是以问歇方 式生产的。间歇过程的地位越来越重要，应用也越来越普遍。 间歇过程既不是连续过程也不是离散过程，但是它具有连续过程和离散过程的特 点。以问歇化工过程为例，间歇过程的主要特点可以概括如下： ( 1 ) 动态性 间歇过程具有很强的非线性，其操作参数随时间而不断改变。这就意味着操作人员 或程控系统需要不断的改变间歇过程的操作，以保证得到合格产品。 间歇过程用水网络综合研究 反应器l反应器2 串 f 生 广 k = 岁 中间储罐 f 上 rp 一一，夕。 泵2泵3 产品 图1 2 典型的间歇化工过程 f i g 1 2r e p r e s e n t a t i v eb a t c hc h e m i c a lp r o c e s s ( 2 ) 多样性 间歇过程的多样性表现为：产品批量可能小到几公斤，也可能大到几千吨；一个间 歇过程每年生产的产品数量可从一个到几百个；一些加工设备的操作可能可靠，也可能 不可靠；产品的生产对人力或其他资源的需求可能具有决定作用，也可能忽略不计；对 操作人员来说熟悉一类产品的生产过程，并不一定能操作另一类产品的生产，因为两类 生产过程的加工要求及操作条件可能相差很大。 ( 3 ) 柔韧性 间歇过程的柔韧性表现为一套多功能的生产装置可用来生产多种化学品。不同的化 学品具有不同的加工任务和操作条件，而同一类加工任务由于产品不同，操作条件可在 很大的范围内变化。因此选择的设备和控制系统必须具有操作柔韧性或弹性，以适应多 种化学品的需要。 由于以上特点，间歇过程的研究主要存在以下两个方面的难点：建模复杂和计算复 杂。首先，间歇化工过程涉及多种生产资源，如人力，原料，中间储罐等，不同的中间 储罐安排方式下过程特性一般是不同的，有时还会有很大的差别；其次，设备的启动、 切换、和清洗时间通常依赖于产品的生产次序，它们在生产中是不能忽略的；第三，物 料从一个加工步骤到下一步骤的转移，在时间与数量上必须协调；另外，还必须考虑批 量与路径的柔性。这些都造成了建立数学模型的困难。 与连续过程相比，间歇过程的特殊之处还在于它的组合特性，这主要是由于间歇过 大连理工大学硕士学位论文 程中设备单元数目，设备尺寸和加工时闻的离散和产品的不同加工次序，具体表现在模 型中有大量变量。这样全面考虑各种因素所建立的模型往往是一个规模很大的优化组合 问题，它通常是大规模的非线性问题，求解时间与问题的规模呈指数增长。 1 4 2 间歇过程用水网络研究进展 间歇过程用水网络优化是近十年来一个新的研究热点，1 9 9 5 年，y p w a n g 和r s m i t h 5 1 】首次提出了间歇操作过程中的用水最小化方法，提出时间夹点分析，人们开始 研究间歇过程用水网络综合问题，并取得一定的进展。 在连续过程中，单元i 的出口流股可以作为另一单元i 的入口流股的必要条件是单元i 的出口流股的浓度小于单元j 入口浓度的最大允许浓度。在间歇过程中，除了上述条件外， 还有时间约束，即单元i 的操作要在j 操作开始之前结束。图1 3 说明了间歇和连续过程在 水回用方面的区别。 图i 3 连续过程与间歇过程的比较 f i g 1 3c o m p a r i s o no fc o n t i n u o u sa n db a t c hp r o c e s s e s 在连续过程中，只有浓度约束决定一个单元到另一单元水再利用的可行性。也就是 说单元a 的出口浓度低于b 的最大允许入口浓度，则从单元a 的出口水流以回用给单元