探析复杂精馏系统合成中的热集成研究

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1、天津大学硕士学位论文复杂精馏系统合成中的热集成研究姓名：董丰莲申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：袁希钢20070101中文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

2、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

3、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。关键词：精馏系统合成热集成夹点分析法模拟退火MINLPABSTRACTABSTI认CTThepurposeofheatintegrateddisfillaionsystemsynthesis，whichisalloptimizationproblem，istOfmdthebestdistillationsequenceandheatintegratedstructureamongagreatnumberoffeasiblealternativesintermsofeconomiccompetence．Mathe

4、matically,itCanbeformulatedasanMixedIntegerNonlinearProgramming(MINLP)problemthatincludesbothstructuralandparametricvariablesoptimization．Whencomplexcolumnconfigurationsareconsidered，thatisoftenthecaseforindustrialapplications，thisproblemwouldbecomeextremelycomplicatedduetoitslarge—scalecombina

5、torialfeatureandnon-linearity,anditssolutionisverydifficult．Theworkpresentedinthisthesisaimsatcreatingasystematicandstablemethodtotacklethisproblem．Inthispaperthepinchanalysismethodisappliedintheheatexchanger’Sdesignofheatintegrateddistillationsystemsynthesis．Forsimplecolumns，aMINLPmodelwiththe

6、variablesofseparationsequenceandoperationpressuresisestablished．Forcomplexcolumns，aMINLPmodelwiththecontinuousvariablesoftherecoveriesofkeycomponentsintheprefractionatorsandrefluxratiosandthediscretevariablesofseparationsequenceandthermal—couplingschemeisestablished．Thesolutiontotheproblemscoul

7、dbeachievedwithanimprovedsimulatedannealingalgorithm．ThisapproachisabletOavoidtheheatexchangenetworkstructureasindependentvariables，thentOincreasethepossibilityandefficiencyoffindingtheoptimawitharandomizedsearchoptimizer．Inthispa