间歇精馏过程优化综合

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间歇精馏技术广泛应用于精细化工与制药工业中,用于提纯或回收高附加值的产品。间歇精馏是一个动态过程,其本身具有瞬时特性,这种性质为过程操作策略的制定以及过程设备结构的选择提供很大的灵活度,同时也为研究者们通过优化综合的方法去挖掘间歇精馏过程的经济潜能以及提高过程的分离效率提供了驱动力与广阔的空间。然而,间歇精馏中各个决策变量的时变特性与其过程优化所包含的复杂经济指标权衡,也为间歇精馏过程的优化综合问题带来了巨大的挑战。本文旨在构建一套系统化解决间歇精馏过程优化综合问题的框架。此框架可以涵盖所有可行的间歇精馏过程,为优化综合问题提供完备的求解空间,并在时间轴上同时考虑间歇精馏空间结构配置与时变控制方案,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。此框架包括两个阶段:(1)问题定义分析:提出过程综合问题的可优化变量,主要包括间歇精馏系统塔型选择、结构设计方案以及操作策略的制定,分析三者之间相互依赖并相互制约的复杂权衡关系,为第二阶段中超级结构的建立提供所需变量信息。(2)状态时空间超级结构优化阶段:基于第一阶段提供的变量信息,提出以塔板、储罐为基本单元的复杂间歇精馏系统状态时空间超级结构,据此建立混合整数非线性动态优化模型,采用综合目标函数权衡操作时间、流程空间,包括过程设备、工艺物料和公用工程等要素,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,由此实现间歇精馏过程的优化综合。在此框架下,由于超级结构中各个流股之间能够灵活地混合与分配,且平衡级间形成完全互联结构,几乎包含了所有潜在的间歇精馏最优化流程,使得优化综合问题求解空间明显扩大。同时,塔板-储罐之间不同的流股连接形式可以生成不同的间歇精馏塔类型和结构设计方案,流股属性随时间的不同变化形式可以形成不同的操作策略。因此,整个间歇精馏过程的优化综合问题都可以通过各个流股自身属性及连接形式同时表达出来,实现设计变量与操作变量的同步优化。最后,通过对苯-甲苯二元体系以及苯-甲苯-乙苯三元体系案例的建模与研究,实例验证了本文提出优化框架的可行性和有效性。
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