多级多组分质量交换网络探究

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1、多级多组分质量交换网络探究　　【摘要】过程系统质量集成是对全过程系统流股间的传质操作进行分析，把废物最小化和总费用最小一同考虑，综合权衡投资费用和操作费用。质量交换网络作为过程集成的一个分支，具有提高资源利用效率和降低环境污染的双重效益。本文研究了传质负荷相对较大的多组分传质过程，建立多级质量交换网络数学模型，以年度总费用为目标函数，利用遗传算法进行求解，并对结果进行了分析和对比。【关键词】质量交换网络；遗传算法；年度总费用1概述质量交换网络综合问题是指对于已有的废物流股或污染物流股（富流股），通过各种质量交

2、换操作，如吸收、解吸、吸附、萃取、沥滤和离子交换等，用能够接受该物质的流股（贫流股）与之逆流直接接触，综合得到一个质量交换器网络，使之能在满足质量平衡、环境限制、安全和费用最小等约束条件下，有选择性地将废物或污染物除去。本文研究了传质负荷相对较大的相容多组分含有较多杂质的复杂传质过程，将流股进出口流率作为变量进行优化。2进出口流率变化的多组分质量交换网络综合方法2.1问题描述6流率变化的质量交换网络综合问题是：定义一系列已知初始流量为Giin（i=1，2，…，NR）的过程流股（富流股）Ri，需要将其中所携带的

3、杂质p（p=1，2，…，Np）由初始浓度降到目标浓度，另有一系列不含或者含有少量杂质p的贫流股（质量交换剂）Sj（j=1，2，…，NS），其杂质的初始浓度和目标浓度、均已知，每一对贫、富流股之间的平衡关系也已知。通常在操作的温度和压力范围内，考虑温度和压力的变化对传质平衡方程的影响，各个组分贫、富流股之间对应的平衡关系可以近似为式（2.1）所示的线性关系。（2.1）为了避免使用无限大的质量交换器，需要加一个正推动力，，类似于换热网络中的传热温差△Tmin。则上面式（2.1）的传质平衡方程可以变为如式（2.2）

4、所示的形式来表示。（2.2）式中，的含义与前面不考虑温度和压力时的传质过程相同，的值直接影响到过程的操作费用和投资费用的大小。2.2进出口流率变化的质量交换网络的数学模型2.2.1目标函数为实现过程的最大效率，节约资源的消耗，将年度总费用作为优化问题的目标函数可以建立以年度总费用为单目标的非线性规划模型。即6min（f）=min（fo+fc-fR）（2.3）式中，fo是操作费用，fc是设备投资费用，fR表示回收的杂质组分的价值。质量交换网络的操作费用是指完成杂质组分的传质要求所需的质量分离剂的所消耗的费用。质

5、量交换网络的操作费用fo可以用如式（2.4）的表达式求得。（2.4）回收费用等于单位流率杂质的价格与杂质回收后的流率之积。2.2.2约束条件以年度总费用作为目标函数，该优化问题的约束条件包括：（1）非负约束各组分的最小浓度差εi，j，p，各流股中各组分的进出口浓度等均为非负实数；（2）贫流股的流率限制条件：，其中，（2.5）（3）富流股的流率限制条件：，其中，（2.6）（4）整个操作过程的总物料衡算：（2.7）（5）组分p在整个操作过程的物料衡算：6（2.8）（2.9）由此建立的数学模型是一个非线性规划问题，

6、同时将进出每一个传质单元的流股流率和传质浓度差作为变量进行优化，优化过程通过各个流股流率变化情况判定设备的使用情况，增加了模型的连续性。2.3非线性规划模型的求解步骤（1）给定物流及相关的基本数据。（2）求出过程中的各个组分在流股间的传质平衡关系，分两步来实现：①用Aspen模拟多组分的汽液平衡关系以及操作温度和压力等条件，模拟实际过程的质量交换器的传质情况，得到达到传质平衡所对应的各个组分在富流股中的组成y和贫流股中的组成x等数据以及对应的温度T和压力P的值。②由上面得到的各个组分在不同温度T、压力P下的X

7、和Y的多组数据，由线性拟合得到各个组分在贫、富流股中的传质平衡方程，如式（2.1）对应的关系。（3）对于建立的超结构数学模型，富流股和贫流股在各个质量交换器进出口流量都未知，将其作为待优化变量；杂质在各对贫、富流股之间达到传质平衡时对应的最小浓度差也作为优化变量。6（4）将上面假设的每一个优化变量给定上下限，并且赋初值，然后代入传质平衡方程中，求出杂质在贫、富流股各分流的进出口处对应的浓度。（5）把上面计算得到的数据代入式（2.5）～式（2.9）中，验证各个约束条件是否满足。如果满足，则按照第（6）步计算；如

8、果不满足，返回第（4）步，利用自适应模拟退火遗传算法中的选择、交叉和变异算子循环计算。（6）利用投资费用和操作费用的计算公式，求出年度总费用的值以及对应的各个质量交换器进出口处各个贫流股和富流股的分流流率、质量交换器塔板数和一组对应的最小浓度差以及优化的温度和压力值，从而得到最优的年度总费用最小的质量交换网络。3结论本章提出了进出口流率变化的相容多组分体系的质量交换网络综合方法，并将进出口流率作为变