基于遗传算法的多效精馏节能技术研究

【摘要】：为了更充分合理地利用能量,将多效精馏系统中可利用的余热(第一效再沸器加热蒸汽冷凝液、各效塔顶及塔底产品的显热)用于预热原料液,建立了由多效精馏及多级预热两个子系统构成的平流、并流、逆流三种流程的多效精馏系统能量集成模型;将系统的物料衡算、热量衡算方程组写成矩阵方程的形式,矩阵方程具有结构清晰、易于简化成不同效数或无预热的各种情况的优点;采用迭代法结合矩阵法求解系统的物料衡算和热量衡算方程组,采用严格的逐板计算法求解各效精馏塔的理论板数并结合辅助计算(如泡、露点计算,预热器计算等),可以求出多效精馏系统常规设计的各种参数。为了达到最佳的节能效果,在多效精馏系统常规设计的基础上,建立了平流、并流、逆流三种流程的多效精馏系统优化设计的数学模型;模型以整个精馏系统(包括多效精馏和多级预热两个序贯系统)的年总费用(包括系统年总操作费用:加热蒸汽年费用、真空泵年动力费用和系统的年设备折旧费用--精馏塔、再沸器、预热器的年折旧维修费用等)最小为优化目标,以第一效精馏塔塔底再沸器加热蒸汽温度、末效精馏塔塔顶蒸汽温度、各效精馏塔的操作回流比、各效精馏塔再沸器的传热温度差、各级预热器溶液出口温度为决策变量;由于目标函数是多变量、高度非线性的复杂函数,既有不等式约束(包括显式约束、隐式约束)又有等式约束,其求解过程相当困难且未见适用于该过程求解的算法报道,故研究并提出了求解该模型的一种新算法--遗传算法结合菲波那契法和拉格朗日乘子法;将目标函数求解过程分成内、外两层,外层的决策变量为t_s、t_(D_n)、t_z,用遗传算法搜索寻优,内层的决策变量为R_i 、Δt_i, R_i 用菲波那契法搜索寻优, Δt_i用拉格朗日乘子法求解,算法用可视化语言Visual Basic 6.0 编程实现。研究结果表明:带预热系统的平流、并流、逆流三效精馏系统优化设计比不带预热系统的平流、并流、逆流三效精馏系统常规设计节省年总费用分别为:48.1%、41.3%、33.8%,说明预热及优化是非常有效的节能措施;新算法收敛稳定性好、收敛速度快,是求解多效精馏系统优化问题的一种有效算法;用可视化语言Visual Basic 6.0 编制的多效精馏设计软件,界面友好、使用方便,可用于平流、并流、逆流多效精馏系统的常规设计及优化设计计算。 【关键词】：多效精馏 能量集成 优化设计 数学模型 遗传算法
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TQ028
【目录】：

• 第一章 引言10-23
• 1.1 课题的背景和意义10-12
• 1.2 精馏过程的节能技术12-18
• 1.2.1 不改变流程的节能技术13-14
• 1.2.2 改变流程的节能技术14-18
• 1.3 遗传算法18-21
• 1.3.1 遗传算法的发展18
• 1.3.2 遗传算法简介18-20
• 1.3.3 遗传算法在化学工程中的应用20-21
• 1.4 研究课题的来源21
• 1.5 研究目的和主要的研究内容21-23
• 1.5.1 研究目的21
• 1.5.2 主要研究内容21-23
• 第二章 多效精馏常规设计的数学模型及求解方法23-56
• 2.1 平流多效精馏常规设计数学模型23-28
• 2.1.1 平流多效精馏系统物料衡算24-26
• 2.1.2 平流多效精馏系统中各效精馏塔的热量衡算26-27
• 2.1.3 平流多效精馏系统矩阵方程27-28
• 2.2 并流多效精馏系统常规设计的数学模型28-33
• 2.2.1 并流多效精馏系统物料衡算29-30
• 2.2.2 并流多效精馏系统中各效精馏塔的热量衡算30-31
• 2.2.3 并流多效精馏系统矩阵方程31-33
• 2.3 逆流多效精馏常规设计的数学模型33-38
• 2.3.1 逆流多效精馏系统物料衡算34-35
• 2.3.2 逆流多效精馏系统中各效精馏塔的热量衡算35-36
• 2.3.3 逆流多效精馏系统矩阵方程36-38
• 2.4 预热系统常规设计模型38-40
• 2.5 数学模型的求解40-56
• 2.5.1 迭代法结合矩阵法求解矩阵方程42
• 2.5.2 简捷计算法42-46
• 2.5.3 严格逐板计算法46-48
• 2.5.4 操作压强及泡、露点温度的计算48-51
• 2.5.5 汽、液相焓的计算51-52
• 2.5.6 进料热状况q 的计算52-53
• 2.5.7 求解多效精馏常规设计模型程序设计框图53-56
• 第三章 多效精馏优化设计的数学模型及求解方法56-82
• 3.1 多效精馏优化设计的数学模型57-69
• 3.1.1 优化设计目标函数J57-63
• 3.1.2 系统决策变量分析63-66
• 3.1.3 系统决策变量及约束条件66-67
• 3.1.4 预热系统决策变量及约束条件的转换67-69
• 3.2 多效精馏优化设计模型求解69-74
• 3.2.1 遗传算法70-72
• 3.2.2 菲波那契法72-73
• 3.2.3 拉格朗日乘子法73-74
• 3.3 多效精馏优化设计模型求解程序框图74-78
• 3.4 多效精馏设计软件简介78-82
• 3.4.1 多效精馏设计软件主要功能简介78-79
• 3.4.2 软件主要界面、菜单结构及使用步骤79-82
• 第四章 计算举例及分析82-87
• 4.1 计算举例82-85
• 4.1.1 平流多效精馏计算举例82-83
• 4.1.2 并流多效精馏计算举例83-84
• 4.1.3 逆流多效精馏计算举例84-85
• 4.2 结果分析85-87
• 结 论87-89
• 参考文献89-92
• 致谢92-93
• 个人简历93
• 作者在读硕士期间发表的论文93

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