考虑非线性温焓关系的过程能量多目标集成方法研究

Energy saving, global warming and greenhouse gas emissions have become major technological, societal, and political issues. Process energy integration has been highly regarded because of its importance for energy saving and pollution reduction. This project focuses on the process energy integration problem involving streams with the nonlinear temperature-enthalpy relationship, which usually occurs in the liquefied natural gas cold energy recovery system, biomass transformation and utilization process, hydrogen production, petrochemical industry, etc., and can not be correctly solved by the existing approaches based on constant heat capacities and linear interpolations in enthalpy for phase changing streams. A systematic procedure for the process energy integration problem involving the nonlinear temperature-enthalpy relationship is proposed by this work. In consideration of the nonlinear temperature-enthalpy aspect, a new targeting procedure based on individual stream plots instead of the composite curves will be established. An interactive multi-objective optimization approach will be adopted to deal with the non-convexity and non-linearity induced by the nonlinear temperature-enthalpy aspect. A solution strategic combining the thermodynamics and mathematic programming will be built for this difficult nonconvex mixed-integer nonlinear programming problem. This work can also present valuable knowledge for addressing the similar nonlinear problems in the process mass integration.

随着能源紧缺和环境问题加剧，节能减排受到社会各界高度关注。过程能量集成是提高过程系统能源利用率的重要途径。然而对(近)临界流体、相变流体等涉及非线性温焓关系的一类过程能量集成问题，现有方法可能导致不正确结果。针对此类具有非线性温焓关系的过程系统，本课题拟建立一种在目标阶段采用基于各股流体温焓关系的非线性夹点分析技术、在设计阶段利用多目标交互式迭代优化方法，以热力学与数学规划法相结合的交互式协调集成策略与框架为指导，形成有效处理包含非线性温焓关系的过程能量集成问题的寻优与设计方法，用于解决诸如LNG冷能回收利用、生物质能转化与综合利用、制氢过程、石化工业等一大类涉及非线性温焓关系的过程能量集成问题。该方法还可为过程集成领域诸如工业水网络、炼厂用氢网络等过程物质交换网络的设计中所涉及的类似非线性问题提供借鉴与参考。该研究对提高过程系统领域的能量利用率、减少污染物排放均具有重要的科学和社会意义。

随着能源紧缺和环境问题加剧，节能减排受到社会各界高度关注。过程能量集成是提高过程系统能源利用率的重要途径。然而对(近)临界流体、相变流体等涉及非线性温焓关系的一类过程能量集成问题，现有方法可能导致不正确结果。针对此类具有非线性温焓关系的过程系统，本课题拟建立一种在目标阶段采用基于各股流体温焓关系的非线性夹点分析技术、在设计阶段利用多目标交互式迭代优化方法，以热力学与数学规划法相结合的交互式协调集成策略与框架为指导，形成有效处理包含非线性温焓关系的过程能量集成问题的寻优与设计方法，用于解决涉及非线性温焓关系的过程能量集成问题。该方法还可为过程集成领域诸如工业水网络、炼厂用氢网络等过程物质交换网络的设计中所涉及的类似非线性问题提供借鉴与参考。该研究对提高过程系统领域的能量利用率、减少污染物排放均具有重要的科学和社会意义。.针对涉及非线性温焓关系的过程能量集成问题，通过在目标阶段建立基于各股流体温焓关系的非线性夹点分析技术、在设计阶段利用多目标交互式迭代优化方法、以热力学与数学规划法相结合的交互式协调集成策略与框架为指导，形成有效处理包含非线性温焓关系的过程能量集成问题的寻优与设计方法，从而揭示流体非线性温焓关系对过程能量集成各个方面的影响，为涉及临界流体、低温流体、相变流体等比热容发生明显变化的过程能量集成问题提供可靠的理论指导与工程解决方法。围绕项目的研究目标，项目按原先制定的研究计划、研究方案和技术路线对四个方面的研究内容开展了深入的研究工作，完成了预期研究目标，并获得了相关研究成果。.项目获得的重要结果如下：1)建立了基于各股流体温焓关系的非线性夹点分析方法及其算法；2)利用多目标优化方法、构建以热力学与数学规划法相结合的求解保障策略，实现能够有效处理包含非线性温焓关系的过程能量集成问题的寻优与设计方法；3)完成研究论文6篇，其中被SCI收录2篇，EI收录4篇；授权实用新型专利1项、软件版权1项；申请发明专利12项；4)培养博士生1名，硕士研究生4名。