资源高效利用间歇共沸精馏系统集成优化研究

Azeotropic batch distillation is widely used in purification of fine chemical products and solvent recovery. In our country, fine chemical industry has already formed large-scale industrial cluster, and the resource consumption of fine chemical industry plays an important role in the entire national economic structure. As a result, the design and operation of azeotropic batch distillation system will have a tremendous impact on the resource utilization of the whole country. This research project focuses on azeotropic batch distillation system, and a state-time-space superstructure of complex multi-vessel batch distillation system which considers trays and vessels as basic units is proposed, and the mathematical model of proposed superstructure is performed with mixed-integer dynamic optimization (MIDO). A comprehensive objective function is generated with the consideration of process time, flow sheets structure and resource elements including of equipment, material and utility. We reformulate the MIDO model as a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem using orthogonal collocation on finite elements technique. The high-efficiency initial value is achieved through the analysis of feasibility, and by incorporating both deterministic and stochastic components, a hybrid adaptive and parallel algorithm strategy is developed. The optimal design parameters, column and vessel con?guration, and dynamic operation strategy of the azeotropic batch distillation system are obtained simultaneously in our framework. The research findings will lay a technical foundation for the integrated design of complex distillation columns, and the result indicates the framework and method have value of theory innovation and actual using.

间歇共沸精馏技术在医药等精细化工产品提纯与溶剂回收中广泛采用。我国精细化工产业已形成庞大产业群，在整个国民经济结构中其资源消耗所占比例相当大，因此，间歇共沸精馏系统设计与操作水平的高低，将对整个国家资源利用水平产生重要影响。课题以间歇共沸精馏系统为对象，提出以板罐为基本单元的复杂间歇共沸精馏塔系统状态时空间超级结构，据此建立混合整数动态优化模型，采用综合目标函数权衡优化操作时间、流程空间，包括过程设备、工艺物料和公用工程等资源要素，利用正交配置法离散化转换成混合整数非线性模型。通过可行性分析提供高效初值，开发随机算法与确定性算法相结合的自适应并行算法策略，同时获得最佳设备参数，塔板-储罐连接配置和决策变量动态控制方案，由此实现资源高效利用间歇共沸精馏系统集成优化。研究成果将为复杂精馏流程一体化设计奠定技术基础，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

间歇共沸精馏技术作为批量分离多组份复杂共沸物系的主要方法，被精细化工与医药企业广泛采用，而精细化工产业在整个国民经济结构中，其所占比例相当可观。因此，研究间歇共沸精馏系统集成优化理论和方法对整个过程工业的资源高效利用具有重要意义。首先，本研究提出基于图论的多元共沸精馏系统综合框架，提出并严格论证了共沸精馏系统“混合-精馏对”分离有效性引理，进一步提出不可转换点概念和流程可行性判断规则，从而揭示了精馏相图与流程拓扑结构内在关系，实现三元以上共沸系统定量综合。以此为基础，研究进一步提出基于广义析取动态优化（GDDO）模型的间歇共沸精馏过程设计与操作的同步优化方法，以实时权衡过程设计变量与操作变量的最佳匹配关系，寻求时间与空间双重维度下的间歇精馏系统最优化流程。工业案例表明所得优化方案能大大降低过程能耗，提高复杂共沸分离流程经济效益。然后，考虑单纯依靠精馏会导致流程工艺能耗过高，研究提出多用途多任务复杂间歇分离网络最优化设计模型，从而实现多种分离手段相结合以实现强非理想物系的高效节能分离。此外，在间歇共沸精馏时空间超级结构研究的基础上，探究了流程时空拓扑结构-效能关系，并围绕废物排放最小化间歇用水网络和考虑时间共享机制的间歇换热网络进行研究。对于间歇用水网络，提出新的超级结构，将废水再生操作模式和模型纳入优化框架中，实现了考虑整体成本和环境因素的全局优化。对于间歇换热网络，考虑间歇热匹配的具体实现形式，基于改进后的状态任务网络，提出考虑时间共享机制的参数化间歇换热网络综合模型，实现了系统能耗和经济效益的有效权衡。综上所述，资源高效利用的间歇共沸精馏系统集成优化研究取得了系列成果，所提出的方法论对于流程工业广泛存在的难分离复杂物系高能耗生产工段调优改造具有重要的理论指导意义。