多組分熱耦合精餾分離系統(tǒng)綜合方法研究

多組分熱耦合精餾分離系統(tǒng)綜合方法研究運用過程系統(tǒng)工程方法論,實現(xiàn)精餾分離系統(tǒng)綜合是煉油與化工節(jié)能增效重要技術手段之一。但產(chǎn)業(yè)升級的新需求與技術研發(fā)新進展都對傳統(tǒng)精餾分離系統(tǒng)綜合理論提出諸多挑戰(zhàn)。一方面,裝置集群化和高附加值產(chǎn)業(yè)鏈延伸使得物料來源和分離要求多樣化,另一方面,精餾節(jié)能技術與其他分離技術快速發(fā)展提供了更多流程組合可能性。為此,本論文在結構受限熱耦合精餾序列綜合、多源進料混合產(chǎn)品復雜精餾系統(tǒng)綜合、多技術混合分離系統(tǒng)綜合和大規(guī)模工業(yè)問題降維等方向展開相關研究工作,以期為高效節(jié)能精餾基復雜分離工藝開發(fā)提供系統(tǒng)化方法論。論文主要研究內容及結果如下:(1)針對現(xiàn)有方法所得多組分熱耦合精餾流程復雜度高,難實施的工業(yè)應用瓶頸問題,提出以耦合度為指標的流程復雜度調控方法論,揭示出有效耦合度生成的負荷轉移與能量集成機制及其節(jié)能原理。以當前工業(yè)可實施的熱耦合精餾配置為對象,運用耦合度分析方法開發(fā)出七條流程結構調控的限制規(guī)則,進而采用狀態(tài)任務網(wǎng)絡超級結構建立結構受限熱耦合精餾序列綜合數(shù)學規(guī)劃模型。研究結果表明,所提方法論通過系統(tǒng)地權衡節(jié)能效果、設備代價與系統(tǒng)耦合度,使得流程不必要復雜度大幅度降低,并通過最佳耦合機制與位置實現(xiàn)關鍵點節(jié)能,幅度可達30%。此外,案例結果對比分析發(fā)現(xiàn)進料特性(組成和相對揮發(fā)度)和設備費用占比都將對最佳熱耦合位置與數(shù)量產(chǎn)生重要影響。報道了六元熱耦合精餾序列綜合案例,其結果表明,耦合度調控不僅保證了流程的可實施性,而且通過剔除不可行解構建出縮減解空間,使得求解時間大幅減少。(2)現(xiàn)有的算法優(yōu)化類復雜精餾系統(tǒng)綜合方法只能處理單一進料全純產(chǎn)品標準問題,無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出的多源進料多規(guī)格產(chǎn)品分離系統(tǒng)設計需求。為此提出超級塔和質能級新概念探索更多樣的流程結構可能性,所構建的質能級狀態(tài)空間超級結構,避免了狀態(tài)-任務塔段類方法的本質缺陷,具有解空間完備,通用性強,易拓展的優(yōu)點。其內嵌的分配網(wǎng)絡與級聯(lián)操作算子,具有調和與分離的雙重功能,從而有效解決了多源進料和混合產(chǎn)品流程綜合難題?；趪栏馦ESH方程建立以年度總費用最低為目標函數(shù)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃數(shù)學模型,提出包括二元變量連續(xù)化、非線性函數(shù)改寫和邊界內隨機擾動賦初值等高效求解策略。案例研究表明,所提嚴格模型準確可靠,包含多進料位置、旁路調和和熱耦連等新結構的優(yōu)化流程,比文獻報道最優(yōu)結果年度總費用下降27.7%,說明對于多組分混合產(chǎn)品問題,完全熱耦合不一定是最優(yōu)配置,采用更加完備超級結構非常有必要。報道的雙進料案例結果表明一體化設計比分別設計方案年度總費用降低了14.4%,證明所提方法處理多源進料問題的能力與指導工業(yè)應用的巨大價值。將所提方法論拓展至間歇精餾過程,研究結果表明所提的狀態(tài)-時-空間超級結構和廣義析取動態(tài)優(yōu)化模型,可同步權衡操作周期、塔型配置、設計參數(shù)與操作策略,為間歇精餾裝置節(jié)能減排提供了新改進思路與優(yōu)化方法。(3)將多技術聯(lián)用的精餾基混合分離系統(tǒng)綜合問題按照外加技術使用場景分為二元和多元兩類分別解決。提出改進因子新概念,通過對第2章所提模型微小調整,即可實現(xiàn)考慮二元改進技術的多元熱耦合精餾序列綜合,克服了分步篩選法丟失最優(yōu)解和工作量大的缺點。研究表明多元精餾序列中二元改進技術存在應用門檻值,并且熱耦合序列門檻值高于簡單塔序列,這一發(fā)現(xiàn)為二元改進技術的選用提供了理論指導。以精餾-萃取混合分離系統(tǒng)為突破口,提出萃取劑-組分關聯(lián)矩陣操作生成縮減狀態(tài)任務樹網(wǎng)絡的新思路,并進一步拓展為多技術聯(lián)用分離序列綜合通用方法論。研究發(fā)現(xiàn)其他多元分離技術對精餾序列存在重構效應,結果表明對于多元難分離物系多技術聯(lián)用成本優(yōu)勢顯著,所提方法論有效解決了技術多樣性帶來的組合爆炸求解難題,具有工業(yè)應用潛力。(4)針對實際工業(yè)分離問題中組分多和產(chǎn)品多引發(fā)的組合爆炸求解難題提出多組分產(chǎn)品集總和穩(wěn)定中心點降維方法,從而將工程級問題轉化為當前綜合理論可解決的小規(guī)模子問題。某石化企業(yè)80萬噸/年連續(xù)重整出料分離流程開發(fā)工業(yè)案例(31組分14產(chǎn)品),通過組分集總與穩(wěn)定中心點降維轉化為三個子系統(tǒng)優(yōu)化,所獲得最優(yōu)結構受限熱耦合序列和簡單塔序列相比當前工業(yè)分離序列年銷售額可增加3.59億元,年利潤分別增加22.35%和18.07%,其中熱耦