基于参数优化的换热网络虚拟温度综合法研究

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1、费岛科技久学研究生学位论文1．1课题的背景和意义第一章文献综述能源是经济发展的动力，是现代文明的物质基础。近几年，中国能源供应紧张不仅影响到入民的生活，蓊且影响到亿学工业的生产经营活动。“煤、电、油、运”紧张造成能源价格的不断攀升，工业产品生产成本大幅增加，甚至使企业难以维持正常生产，能源再次成为经济发展的“瓶颈"。近几年我国经济的快速发展是以能源的高消耗为代价的。据国家统计局发布的公告，2007年我圜能源消耗总量为26．5亿吨标准煤，比上年增长8％。其中，煤炭消耗量25．8亿吨，增长7．9％；原油消耗繁3．4亿吨，增长6．3％；天然气消耗量673亿立方米，增长19．9％；电力

2、消耗量32632亿千瓦小时，增长14．1％。我国已成为仅次子美困的第二大能源消费冒。据国家发改委预测，未来掬年我国对能源的需求仍将有明显增长，到2020‘年，国内能源供应缺口将进一步扩大。2020年我国煤炭在能源消费总量中将占到约贷％，需求量将达到28亿吨，瑟最大产量仅为20．5—22．1亿吨，缺口巨大；石油、天然气等重要能源对进口的依存也将大大升高，到2020年，我国石油进口量预计将达到2．5亿吨，对外依存度超过S5％；我圈电网正在经历着二十年来最严峻的局面。蠢于能源的综合短缺造成的电力供应严重紧张的问题越来越突出。我国能源的生产能力还远远不能满足麴约年国内生产总傻比2000

3、年翻两番的目标，能源紧张闯题将长期存在。能源瓶颈能否突破，己经成为制订国家安全战略时必须考虑的重要因素之一。同时，我国能源结构和能量消耗水平也存在突出闻题。在能源利用上，具体表现在：我国主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高25。90％，平均高40％左右；产值能耗高，比世界平均水平高2倍，是世界上产值能耗最高的囤家之一瑟l，与先进圜家相比，差距更大，节麓潜力巨大。过程工业，包括化工、冶金、炼油、电力、轻工、动力、环保等能源密集型工业都是麓耗大户，降低其熊耗是发展生产技术，提高产品市场竞争能力的关键所在。尽管近年来这些行业能耗状况有了很大的改善，但整体而言，仍高于发达国家水平，其

4、主要原因就是能源未能褥到合理利用。因此提高过程工业的能源剩用率对解决我国能源供需矛盾、保障国家经济安全和推动社会进步具有十分重要的意义。过程系统能量综合、优化是当今过程工业节能的主要手段，近三十年来，通过过程集成、综合、匹配等手段，使传统的过程工业的能耗逐年下降。过程综合，5基于参数优讫的换熬网络寝羧温度综会法研究尤其是着眼于能量利用的过程能量综合，已经形成了一套比较完整的理论和方法。羔。2过程系统综合随着科学技术的进步，现代化过程工业的装置豳趋大型化和联合生产化，特别是在能源紧张、原材料短缺和环境污染圈益加剧的情况下，以单元操作概念为基础的传统化学工程方法己不能适应现代化大型

5、联合装置的最优设计、最优控制和最优管理的要求臻3。过程单元的简单组合并不等于过程系统的优化，工业技术正逐步从单元操作技术向系统技术方向发展。20世纪60代初，产生了--l'-J涉及化学工程、系统工程、应用数学、计算机和过程控制论等学秘的边缘学科一化工过程系统工程。化工过程系统工程主要研究如何实现过程系统的操作模拟、设计模拟、操作最优化、设计最优化以及过程系统的最优合成船’。过程系统综合是化工系统工程学的核心内容，是过程设计的关键。过程系统综合就是在给定的输入允许范围和约束条件下，按照规定的系统特性和输出要求，寻求所需要的系统结构及其备子系统的性能，确定该未知的过程系统，使之达到

6、规定目标下的最优组合H1。这实际上就是从大量可行性方案中选择一个或几个最优或次优方案。1．2．1过程综合的研究策略自1968年美国威斯康星大学的Rudd教授提出过程综合这一概念以来，过程综合一直受到学术界和企业界的关注，现已成为比较活跃的研究领域。过程综合就其研究内容来看，主要包括反应路径综合、分离序列综合、反应器网络综合、换热网络综合、公用工程综合、资源分配网络综合、生产全流程综合以及控制系统综合等。以上备个领域的过程综合研究进展各不相同，分离序列的合成、换热网络的合成及系统热集成的研究相对比较成熟。过程综合从综合策略上可分为分布设计策略和同步设计策略两种。1．2．1．1过程

7、系统综合的分布设计策略化工过程系统通常由反应器、分离与荐循环系统、换热器和公用工程组成。分布设计策略可用Linnhoff等人∞1提出的“洋葱模型”来形象地表示，如罂1-1所示，其设计过程出反应器开始，随后是分离与再循环系统的设计：以上两者规定了设计过程的冷热负荷，因此接着的是换热网络的设计；最后6毒磊科技大学研究生学位论文根据外部公用工程(蒸汽、冷却水等)的需求量，选择与设计公用工程系统。分步设计是过程设计中应溺极为普遍的方法，结合工程簿的实际经验和采用能量集成的夹点技术及适当的调优方法，可