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废物最小化为目标的质量集成方法研究

薛东峰  
【摘要】: 日益严重的环境和资源问题已经威胁到人类的生存和社会的发展。作为 实施可持续发展战略的最佳模式和技术手段的清洁生产成为广大学者和企业 界研究的热点。如何实现清洁生产的问题还未得到很好的解决。本文以废物 最小化为目标,对清洁生产重要的支持和实现技术——质量集成进行了研 究:从过程系统工程的基本理论出发,首次提出质量综合利用原则,建立了 过程废物最小化的集成框架;对废物最小化的定量化方法—质量交换网络综 合、质量集成及其方法进行研究,并对质量集成问题建立超结构数学模型, 以定量确定过程的废物最小化方案;为求解模型构成的混合整数非线性规划 (MINLP)问题有针对性地开发了自适应模拟退火遗传算法(ASAGA),从 而为定量化确定废物最小化最优操作方案提供了有效的工具。上述工作的具 体开展为: 1.建立了过程废物最小化集成框架:现有的研究主要集中于策略研究和 定性化方法,对过程废物的实质和演变缺乏认识,未能给出可操作的废物最 小化方案。本文总结了过程物料在使用中的演变及废物产生过程,借鉴总能 系统概念,首次提出了过程质量(物料)综合利用原则,以此作为废物最小 化集成框架的基础;以工艺闭路循环思想为核心,结合现有的定性化方法和 定量化方法,建立了过程废物最小化的集成框架;对废物最小化的经济性进 行分析,指出它与传统工艺的差别和优越性;将质量和能量综合利用原则应 用于乙烯装置急冷系统的实际工程改造,确定优化的过程改造方案,体现了 所提出策略对工程实践的指导作用。 2.质量交换网络(MEN)综合是有效的废物最小化定量研究方法,国 外对质量交换网络综合问题进行了许多研究工作,而在国内目前还鲜见报 道。本文在国内较早对质量交换网络综合问题进行了系统研究,详细阐释了 质量交换网络的定义、基本概念和研究进展,以推动国内清洁生产技术的发 展;着重描述了重要的可视化工具,对质量交换网络综合方法进行了评述和 分析;最后,对各种综合方法进行比较,指出目标设定法和数学规划法相结 合的方法是最为可行的MEN综合方法,并进行了探讨。 3.对过程进行优化综合,存在路线和单元的选择,与相应的参数交织 在一起,很自然地就形成了混合整数非线性规划问题。本文针对过程流程优 大连理工大学博士学位论文 化综合问题的MINLP特性,分析了现有MINLP超结构建模的策略和求解方 法: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, 对过程的质量集成进行超结构建模研究;对比末端治理、过程中间处理和质 量集成方案,探讨三者的差别,阐明了质量集成对提高过程效率的重要意义。 4.过程综合问题通常表现为非凸、非线性和多峰的复杂组合优化问题, 而现有的算法很难求得这类MINLP 问题的全局最优解。传统的模拟退火在 全局优化能力与速度方面,以及遗传算法在局部搜索能力方面的不足限制了 它们的应用.本文在概述遗传算法和模拟退火算法的基本特征和改进研究工 作的基础上,分析了现有模拟退火方法结构上的弱点,采取新的结合方式将 擅长全局优化的邀传算法嵌入到模拟退火算法中,以强化其内层结构优化, 同时为保证算法的性能并提高算法的计算效率,采用了自适应调整遗传算法’ 的交叉和变异概串以及自适应调整模拟退火步长的策略,形成了自适应模拟 退火遗传算法:经过一系列综合测试实例证实,ASAGA算法能较好地处理 非线性约束优化问题;在适当处理整数变量后,ASAGA算法可将MINLP转” 化为NLP问口加以求解,对典型过程综合MINLP问题的试算说明该算法能 够有效求解过程综合MINLP问题。


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