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采用虚拟瞬态连续性模型优化复杂精馏系统

马英杰  
【摘要】:在化学工业中,为了分离特殊物系或者为了节能,复杂精馏系统是很常见的,如萃取精馏系统和热耦合精馏系统。然而,由于收敛问题和整数优化问题,基于平衡级模型对这些系统中的所有变量进行同时优化是很困难的。本工作的目的是基于严格的精馏模型,发展一个用于复杂精馏系统塔板数、进料位置和操作参数同时优化的框架。对于过程系统的同时优化来说,由于联立方程法(Equation-Oriented)可以得到简单的自动和符号微分,因此它是很有优势的。然而,当采用严格的平衡级精馏模型时,很差的收敛性阻碍了联立方程法在精馏系统同时优化中的广泛应用。为了解决这一问题,本工作发展了一个简单的虚拟瞬态连续性(PTC)精馏模型。这个模型是基于精馏塔的动态模拟但采用了合适的、简单的虚拟停滞量关联式。这导致了一个适定且求解容易的微分代数方程(DAE)系统。当该DAE系统积分至稳态时,将得到与平衡级模型相同的结果。一系列针对各种复杂程度精馏系统的模拟案例证明了该虚拟瞬态连续性模型的稳健性。为了避免在优化塔板数时引入整数变量,绕流效率被结合到所建立的虚拟瞬态连续性精馏模型中。这种方法既避免了困难且耗时的整数优化问题,又可以得到有实际物理意义的整数塔板数解。本工作中所发展的模型可用于各种复杂精馏系统的同时优化,即具有通用性。几个复杂精馏系统的优化案例验证了所建立优化框架的有效性和通用性。其中,高度复杂的含有热集成的变压精馏过程和三组元部分热耦合萃取精馏过程均是首次被优化。


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