基于智能型遗传规划的精馏-膜分离新型集成工艺优化研究

The separation of typical industrial organics-water mixture has been a hot research topic in chemical engineering field, for instance, the separation of THF/water with recovering THF, dehydration of 2-propanol and so on..Some traditional special distillation such as azeotropy distillation needs more equipments and larger energy consumption, and the serious pollution is made. Therefore, in this paper, the distillation unit and pervaporation unit are used to make the mult-units coupling optimization integration via Genetic Programming algorithm, and the multi-units coupling new separation process is produced with the energy saving and environmental protection for the separation of typical azeotropic mixtures. On this basis, the new node model of Genetic Programming algorithm is established, and the multilayer Genetic Programming tree code is built. The expert system and knowledge base of chemical engineering is established to guide the algorithm, and the algorithm evolution operation is improved effectively. The accurate models of units are put forward and the new coupling optimization separation system with energy saving and environmental protection is established for the separation of typical industrial organics-water mixture.

工业有机物脱水回收是多种工艺中遇到的核心问题，目前普遍采用能耗高有污染的精馏工艺，如何节能降耗并防止污染一直是研究的热点与难点。.本课题拟利用智能型遗传规划算法（GP），将精馏及膜分离两类单元进行优化集成，以设计节能环保耦合新型分离工艺。首先建立适用于化工专业的算法知识库、进化规则库及节点模型库，以指导生成有效GP树状代码并顺利进行进化操作；同时建立离散变量与连续变量同步优化方案及系统热集成方案，最终建立基于智能型GP的通用综合求解策略。.该算法可以根据任何工业有机物脱水分离要求，快速自动设计出由精馏与膜分离两类单元优化集成的新型分离工艺，包括给出最优耦合流程结构、流程中各主要设备最优设计与操作参数，及合理有效的热集成方案。新工艺不仅起到明显节能降耗作用，而且无有害污染物排放，则绿色环保功效显著。该研究成果可以有效指导实际工业生产中的旧工艺改造或新工艺开发，具有重要的理论意义与实际应用价值

工业恒沸物及近沸点物系分离一直是化工领域上的研究热点，常规共沸精馏、萃取精馏等方法能耗高且易污染环境，亟待开发清洁环保的集成新型分离工艺，精馏与膜分离的集成工艺就是其中一种比较重要的集成应用。本项目开展精馏-膜分离集成的GP综合求解策略研究，用以根据不同恒沸物及近沸点物系的分离要求，并结合不同膜类型及膜材料特性，快速自动搜索出最优的精馏-膜分离集成工艺流程及最优设备及操作参数。. 本项目提出的新型精馏-膜分离集成过程综合求解策略， 在深入研究常规特殊精馏（共沸精馏、萃取精馏）分离方法基础上，进一步提出了GP算法基于单位膜面积理论预测价格的评价体系，GP综合策略通过计算单位膜面积最大理论预测价格（Pmax，$•m-2•年-1），对膜的成本与性能进行评价，目前该求解策略可应用于已大规模工业化及尚处实验研究阶段两大类膜的精馏-膜分离集成过程优化设计。通过工业实例研究，结论主要有：.（1）分离异丙醇-水共沸物系，将二氧化碳交易价格对化工企业生产成本的影响进行量化，计算了不同二氧化碳排放费用下对应搜索出的最优精馏-膜分离集成过程并进行分析，探讨GP求解策略应用于企业产能升级可行性。.（2）分离苯-环己烷共沸物系，分别计算聚氨酯膜和GO-AgNPs/PI杂化膜的优化应用，在聚氨酯膜研究部分：该膜性能进行理论预测，包括膜操作温度、膜厚度和完全理论预测聚氨酯膜的最优精馏-膜分离集成过程分析发现，聚氨酯膜在通量方面进行改性可以获得更高的Pmax提升率，即更具工业化应用价值；采用GO-AgNPs/PI杂化膜分别对进料流量和进料组成改变两方面探究了该类膜的改性对精馏-膜分离集成过程的影响，并通过Pmax量化改性效果。.（3）分离甲醇-甲苯共沸物系，分别研究改性前、后壳聚糖膜的最高改性成本，发现进料流量对壳聚糖膜改性影响，进一步研究了多种情况下同时使用混合型壳聚糖膜的精馏-膜分离最优集成过程，计算结果表明，使用混合型壳聚糖膜可以降低成本，提高收益。. 上述研究成果为工业设计及生产改造提供有力依据，起到明显降低设备投资、节能降耗作用。