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(shù)手段之一。但產(chǎn)業(yè)升級的新需求與技術(shù)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(shù)與其他分離技術(shù)快速發(fā)展提供了更多流程組合可能性。為此,本論文在結(jié)構(gòu)受限熱耦合精餾序列綜合、多源進料混合產(chǎn)品復(fù)雜精餾系統(tǒng)綜合、多技術(shù)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(guān)研究工作,以期為高效節(jié)能精餾基復(fù)雜分離工藝開發(fā)提供系統(tǒng)化方法論。論文主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)針對現(xiàn)有方法所得多組分熱耦合精餾流程復(fù)雜度高,難實施的工業(yè)應(yīng)用瓶頸問題,提出以耦合度為指標(biāo)的流程復(fù)雜度調(diào)控方法論,揭示出有效耦合度生成的負荷轉(zhuǎn)移與能量集成機制及其節(jié)能原理。以當(dāng)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(jié)構(gòu)調(diào)控的限制規(guī)則,進而采用狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)超級結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)受限熱耦合精餾序列綜合數(shù)學(xué)規(guī)劃模型。研究結(jié)果表明,所提方法論通過系統(tǒng)地權(quán)衡節(jié)能效果、設(shè)備代價與系統(tǒng)耦合度,使得流程不必要復(fù)雜度大幅度降低,并通過最佳耦合機制與位置實現(xiàn)關(guān)鍵點節(jié)能,幅度可達30%。此外,案例結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)進料特性(組成和相對揮發(fā)度)和設(shè)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(jié)果表明,耦合度調(diào)控不僅保證了流程的可實施性,而且通過剔除不可行解構(gòu)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(fù)雜精餾系統(tǒng)綜合方法只能處理單一進料全純產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計需求。為此提出超級塔和質(zhì)能級新概念探索更多樣的流程結(jié)構(gòu)可能性,所構(gòu)建的質(zhì)能級狀態(tài)空間超級結(jié)構(gòu),避免了狀態(tài)-任務(wù)塔段類方法的本質(zhì)缺陷,具有解空間完備,通用性強,易拓展的優(yōu)點。其內(nèi)嵌的分配網(wǎng)絡(luò)與級聯(lián)操作算子,具有調(diào)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�(yán)格MESH方程建立以年度總費用最低為目標(biāo)函數(shù)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)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(nèi)隨機擾動賦初值等高效求解策略。案例研究表明,所提嚴(yán)格模型準(zhǔn)確可靠,包含多進料位置、旁路調(diào)和和熱耦連等新結(jié)構(gòu)的優(yōu)化流程,比文獻報道最優(yōu)結(jié)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(jié)構(gòu)非常有必要。報道的雙進料案例結(jié)果表明一體化設(shè)計比分別設(shè)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(dǎo)工業(yè)應(yīng)用的巨大價值。將所提方法論拓展至間歇精餾過程,研究結(jié)果表明所提的狀態(tài)-時-空間超級結(jié)構(gòu)和廣義析取動態(tài)優(yōu)化模型,可同步權(quán)衡操作周期、塔型配置、設(shè)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(shù)聯(lián)用的精餾基混合分離系統(tǒng)綜合問題按照外加技術(shù)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(diào)整,即可實現(xiàn)考慮二元改進技術(shù)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(shù)存在應(yīng)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(shù)的選用提供了理論指導(dǎo)。以精餾-萃取混合分離系統(tǒng)為突破口,提出萃取劑-組分關(guān)聯(lián)矩陣操作生成縮減狀態(tài)任務(wù)樹網(wǎng)絡(luò)的新思路,并進一步拓展為多技術(shù)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(shù)對精餾序列存在重構(gòu)效應(yīng),結(jié)果表明對于多元難分離物系多技術(shù)聯(lián)用成本優(yōu)勢顯著,所提方法論有效解決了技術(shù)多樣性帶來的組合爆炸求解難題,具有工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)化為當(dāng)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(zhuǎn)化為三個子系統(tǒng)優(yōu)化,所獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)受限熱耦合序列和簡單塔序列相比當(dāng)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%,其中熱耦合序列相比簡單塔序列總能耗下降幅度達19.57%,證明所提方法論能有效解決大規(guī)模分離系統(tǒng)綜合問題,從而對開發(fā)高效節(jié)能分離新工藝,實現(xiàn)原料組分資源化,提升企業(yè)效益具有重要理論與實踐價值。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ028.31
【部分圖文】：

我國研宄起步稍晚，近年來快速發(fā)展，在眾多子領(lǐng)域形成了特色鮮研究工作，但在工業(yè)實際應(yīng)用上仍存在明顯差距，具體體現(xiàn)為系統(tǒng)化軟件平臺與工乎全部靠引進，過程綜合方法論所支撐的核心工藝包開發(fā)能力不強、研發(fā)數(shù)量不際領(lǐng)先水平的核心技術(shù)較少，專利技術(shù)引進遠大于輸出。??－３－??

圖１．２簡單精餾塔質(zhì)量流與能量流示意圖??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｉｍｐｌｅ?ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ｍａｓｓ?ａｎｄ?ｅｎｅｒｇｙ?ｆｌｏｗｓ??是汽液兩相接觸傳質(zhì)的物理載體，其中高效塔板／填料、分布體力學(xué)性能的關(guān)鍵設(shè)備部件。一個典型單進料雙出料簡單連料位置上方為精餾段，氣相重組分逐漸被冷凝下來，下方被汽化。??本質(zhì)是能量推動下兩相的生成。再沸器從外界熱源（溫度氣相回流，冷凝器向外界熱阱（溫度７１）輸出能量０Ｃ，大，為分離額外制造的新相流股越大，投入的相變能量也度使得精餾塔能夠靈活處理不同熱狀態(tài)進料與采出，與單、氣體膜分離、氣體吸附，液液萃取等）相比，可適應(yīng)更學(xué)第一定律，精餾中蒸汽輸入再沸器的熱量被塔頂冷費嚴(yán)重。由此推導(dǎo)出來的節(jié)能技術(shù)分為兩大類：（１）回（２）引入外界閑置熱源替換塔釜加熱蒸汽，兩者交叉衍生出

——？塔底液??圖１．２簡單精餾塔質(zhì)量流與能量流示意圖??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｉｍｐｌｅ?ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ｍａｓｓ?ａｎｄ?ｅｎｅｒｇｙ?ｆｌｏｗｓ??精餾塔是汽液兩相接觸傳質(zhì)的物理載體，其中高效塔板／填料、分布器等是保障精餾??塔傳質(zhì)與流體力學(xué)性能的關(guān)鍵設(shè)備部件。一個典型單進料雙出料簡單連續(xù)精餾塔如圖??１．２所示，進料位置上方為精餾段，氣相重組分逐漸被冷凝下來，下方為提餾段，液相??中輕組分逐漸被汽化。??整個過程本質(zhì)是能量推動下兩相的生成。再沸器從外界熱源（溫度ｒＨ）獲取能量??，產(chǎn)生塔底氣相回流，冷凝器向外界熱阱（溫度７１）輸出能量０Ｃ，提供塔頂液相回??流。回流比越大，為分離額外制造的新相流股越大，投入的相變能量也越高。但兩回流??配置的大自由度使得精餾塔能夠靈活處理不同熱狀態(tài)進料與采出，與單相處理技術(shù)（氣??體吸收、蒸餾、氣體膜分離、氣體吸附，液液萃取等）相比，可適應(yīng)更廣的應(yīng)用場景。??根據(jù)熱力學(xué)第一定律，精餾中蒸汽輸入再沸器的熱量被塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)??取走
【參考文獻】

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本文編號：2843910