多杂质体系质量和热交换网络同步集成

针对化工过程能耗高、污染严重的现状，提出化工多杂质复杂体系质量和热交换网络同步集成的优化技术以实现过程工业的可持续发展，重点解决质量和热交换网络同步集成中的约束条件多、规模大、交互作用强和求解难度大等关键问题。以系统科学理论为基础，采用质量集成的方法在满足环境、经济、安全、操作及控制要求的前提下，以源头和过程中心部位污染治理为基本出发点，探索质量交换网络集成的理论和方法，提出实现化工过程废物最小化的优化策略。同时基于过程系统"用能一致性"原则，采用"虚拟温度法"研究质量交换网络中传热的规律和特性，考虑传质和传热的交互作用规律，建立质量和能量耦和的过程超结构模型和求解方法，从全局集成的角度实现化工过程的节能降耗和污染控制，形成过程系统质量和热交换网络同步集成的科学理论和技术方法，为过程工业节能减排的应用奠定基础。

化工过程的节能减排是化学工业可持续发展的关键问题，过程集成优化的理论和方法是化工过程节能降耗和控制源头污染、减少废物排放的有效方法。在实际的化工质量传递过程中，多种杂质的脱除或回收往往是同时存在的。与单一杂质体系相比，多杂质体系的传质过程涉及的组分多，传质过程复杂，质量交换综合网络方法还在发展阶段。本研究采用基于超结构模型和遗传模拟退火算法的数学规划法，将传质单元设备参数作为优化变量，用流股流量标示传质单元的存在性，算例结果证明所建立的非线性规划（Non-linear Programming，NLP）数学模型能够很好地解决多杂质质量交换网络（Mass Exchange Network，MEN）综合问题。在此基础上，为同时实现化工过程中资源和能源的有效利用，本研究针对单杂质体系和多杂质体系的特点，分别提出了将质量交换网络和热交换网络（Heat Exchange Network，HEN）同步综合的方法。采用质量夹点法和虚拟温焓图法综合单杂质问题中的子MEN和子HEN，提出含有贫流股旁路的子网络耦合模式及单杂质体系同步综合策略。在第一部分多组分MEN综合研究的基础上，构造多杂质问题中流股冷热性质及流股存在性不确定时的换热网络超结构，将流股流量分配率和温度分配率作为优化变量同步综合多杂质体系质量和热交换网络，建立NLP网络综合模型。本研究所涉及到的网络综合问题均是NP难问题，用传统的确定性算法需要对模型进行简化，为获得更准确和更优的解，这里均采用遗传模拟退火算法对所建数学模型进行求解。算例结果表明所提方法实现了对系统质量传递过程和热传递过程的同步考虑，并且这些方法不仅能用于集成系统内的热量，还能推广用于系统外的能量集成。. 本研究按期完成了项目的研究计划、研究内容，达到了预期的研究目标，完成了预期的研究成果。发表的文章数目比原计划多，质量高，共发表相关论文16篇，其中国际期刊4篇、国内核心期刊7篇、国际会议论文5篇；SCI收录2篇、EI收录3篇、ISTP收录3篇。已接收未发表的论文2篇（SCI和EI刊源）；另外2篇国际期刊的论文在审稿中。人才培养方面，从事相关研究工作的博士毕业1名、硕士毕业4名，在读博士2名、硕士3名。总之，该项目达到了原计划书中的各项指标。