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复杂精馏系统合成中的热集成研究

董丰莲  
【摘要】: 热集成精镏系统的合成是一最优化问题,其目的是设计出能分离多组分混合物的精馏序列及热集成结构,并使总费用最小。在数学上,这一问题同时涉及流程结构和操作参数的最优化,属于混合整数非线性规划(MINLP)范畴,当考虑分离多组分混合物时,系统呈现大规模的组合特性和复杂的非线性行为,其建模和求解都非常复杂。本文旨在建立求解这一复杂问题的有效的系统工程方法。 本文将夹点分析法应用于热集成精馏系统合成的换热网络设计中。对于简单塔,建立了一个以分离序列和操作压力为变量的混合整数非线性规划模型。对于复杂塔,建立了一个以预分馏塔组分回收率,回流比及操作压力为连续变量,以分离序列和热偶合方式为离散变量的混合整数非线性规划模型。然后运用改进的模拟退火算法求解,可同时得到优化的流程结构和操作参数。本文方法避免了以换热网络结构作为独立变量,提高了用随机搜索方法获得最优解的可能性,同时提高了计算速度。本文方法既允许一个塔的冷凝器和多个塔的再沸器进行热匹配,以及一个塔的再沸器和多个塔的冷凝器进行热匹配,还允许一个塔的冷凝器和再沸器同时与其它塔进行热匹配,使可回收利用的能量大大增加。 本文对不同的算例进行了求解,分析比较了不同优化方案的优化结果及其经济特性。算例表明本文方法可以极大的降低系统的总费用,是求解热集成精馏系统合成问题的有效方法。


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