间歇化工过程热集成研究进展
发布时间：2021-04-09 14:45
间歇化工过程热集成问题的研究能够促进过程系统的可持续发展并且提高产业经济性和技术竞争力,顺应了化工发展大环境。本文介绍了以系统综合优化为目标的间歇化工过程热集成研究的发展现状,整理了早期研究的三大通用图解模型,并讨论和比较了在建模求解过程中常见算法。总结了当前研究的重点在换热网络设计优化、热储罐系统和考虑调度的热集成三个方面,并评述了与之相关的进展、瓶颈和研究意义。指出了热集成问题已成为当前间歇化工过程的研究热点,其中热集成和生产调度的协同优化十分必要,能够从系统全局的角度上给出优化方案。但由于间歇化工过程中存在较多的不确定性和约束条件,增加了热集成的研究难度,因此对间歇化工过程优化设计提出了更高的要求。
【文章来源】：化工进展. 2020,39(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
三维级联图[9]
近年来，连续时间模型（continuous-time representation）在求解间歇过程调度问题中得到了广泛应用，以此为基础展开了对间歇过程调度和热集成同步优化的研究。图5解释了连续时间模型和离散时间模型的区别。连续时间模型与离散时间模型不同的是，允许事件在任意时刻发生，因此减少了很多不必要的时间点的存在。Majozi[55]利用连续时间模型求解间歇化工热集成问题，并说明了该模型具备的三大优势：(1)相较于离散时间模型使用了更少的二元变量；(2)放宽时间约束；(3)目标函数更为灵活，能够给出短期操作的直接热集成方案，因此能够求解大规模优化问题。Chen和Chang[3]利用连续时间模型和资源-任务网络（resource-task network）对间歇过程短周期和多周期操作的直接热集成进行研究，由于引入变化参数和调节参数，使得方程更加灵活。Majozi等[56]在此前研究[55]的基础上引入了热储罐系统，进一步提高了过程的节能效果；随后对热储罐参数进行优化，考虑了热储罐的蓄热能力和中间热交换媒介的初始温度以及热损失等问题[57]；并将鲁棒准则运用到多目的厂的同步优化中[58]，能够获得更优的目标值、较少的所需时间点和较短的计算时间。Lee等[59]对流股在转移过程中的热集成可能性进行研究，减少了流股占用设备的时间，在节能的同时提高了产量，随后改进模型[60]对换热器数量也进行了优化。间歇过程的调度信息决定了系统的结构信息，热集成匹配丰富了系统的参数信息，分步优化和同步优化都体现了调度和热集成的在系统优化过程中的关联性。分步优化的优势在于：(1)求解难度低，将复杂问题拆分成易于求解的子问题分别求解，可以快速求解大规模复杂问题；(2)不牺牲总体生产效率，对于某些小批量、高附加值的精细化工产品，由于其工艺路线、产品方案的优化所产生的效益远远超过能量综合优化的效果，此时采用分步优化策略较为适用。分步优化的缺点在于无法得到全局的最优解。同步优化将调度和热集成综合成一个问题，能够协同优化生产调度和热集成，从而得到系统的最优解，对于工艺、设备技术趋于成熟的生产过程，同步优化能够获得更低的能源消耗和更少的设备投资，更有利于提高产业的技术竞争性。但是同步优化需要考虑的问题多，模型复杂，求解难度较大。
为了克服时间平均模型的缺点，Kemp等[7]提出了时间-温度级联法（time-dependent heat cascade analysis,TDHCA）。该方法将各个流股分配在不同的时间间隔内，在每个时间间隔内利用夹点分析法建立时间-温度级联计算出总换热量，并绘制出如图2所示的过程总组合曲线（grand composite curve,GCC），确定每一个时间间隔内的热集成情况，然后综合考虑间歇过程调度，优化换热网络，回收低品位的热能[8]。利用热储罐的形式，使得前一时间间隔夹点以下的热量，储存并传送到后面的时间间隔内的夹点上方使用，从而实现不同时间间隔内热量的传递。Kemp等[9]还绘制了时间-温度-热量的三维热级联图，如图3所示，直观反映了过程中温度和热流流率随时间的变化趋势；并实例证明了该方法的优势[10-12]。时间-温度级联法的关键是分析与时间相关的温度级联表格，这种分析策略是连续过程问题表格法的一种延伸。但时间-温度级联法在应用过程中并没有给出热量贮存及释放的具体信息，包括贮热物流、贮热量、贮热温度、贮热时间及贮热分配方案[13]。图2 总过程组合曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于换热器分时共享机制的多时期换热网络结构设计[J]. 陈彩虹,蒋达,钱锋. 化工进展. 2014(04)
[2]带有热储罐的间歇过程换热网络综合[J]. 都健,杨坡,刘琳琳,李继龙,陈静,陈鹏鹏. 化工学报. 2013(12)
[3]基于虚拟温度法的间歇过程换热器网络综合[J]. 刘琳琳,都健,肖丰,陈理,姚平经. 计算机与应用化学. 2009(08)
[4]带热贮存的间歇过程最小公用工程目标的确定[J]. 夏修庆,李玉刚,郑世清. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2007(02)
[5]考虑能耗影响的多产品间歇化工过程优化排序[J]. 朱振兴,卫宏远,杨华. 化工进展. 2006(12)
[6]间歇化工过程设计和能量综合优化研究进展[J]. 李志红,华贲. 石油化工设备. 2003(02)
[7]间歇过程能量平衡和平衡分析方法的研究[J]. 李志红,宋子明,袁志敏. 高校化学工程学报. 2002(01)
[8]一类间歇化工过程的热集成调度模型化研究[J]. 谢立,何星,张卫东,许晓鸣. 系统仿真学报. 2001(S1)
[9]间歇过程热回收目标的研究[J]. 张早校,冯霄,郁永章. 西安交通大学学报. 2000(08)
本文编号：3127810
【文章来源】：化工进展. 2020,39(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
三维级联图[9]
近年来，连续时间模型（continuous-time representation）在求解间歇过程调度问题中得到了广泛应用，以此为基础展开了对间歇过程调度和热集成同步优化的研究。图5解释了连续时间模型和离散时间模型的区别。连续时间模型与离散时间模型不同的是，允许事件在任意时刻发生，因此减少了很多不必要的时间点的存在。Majozi[55]利用连续时间模型求解间歇化工热集成问题，并说明了该模型具备的三大优势：(1)相较于离散时间模型使用了更少的二元变量；(2)放宽时间约束；(3)目标函数更为灵活，能够给出短期操作的直接热集成方案，因此能够求解大规模优化问题。Chen和Chang[3]利用连续时间模型和资源-任务网络（resource-task network）对间歇过程短周期和多周期操作的直接热集成进行研究，由于引入变化参数和调节参数，使得方程更加灵活。Majozi等[56]在此前研究[55]的基础上引入了热储罐系统，进一步提高了过程的节能效果；随后对热储罐参数进行优化，考虑了热储罐的蓄热能力和中间热交换媒介的初始温度以及热损失等问题[57]；并将鲁棒准则运用到多目的厂的同步优化中[58]，能够获得更优的目标值、较少的所需时间点和较短的计算时间。Lee等[59]对流股在转移过程中的热集成可能性进行研究，减少了流股占用设备的时间，在节能的同时提高了产量，随后改进模型[60]对换热器数量也进行了优化。间歇过程的调度信息决定了系统的结构信息，热集成匹配丰富了系统的参数信息，分步优化和同步优化都体现了调度和热集成的在系统优化过程中的关联性。分步优化的优势在于：(1)求解难度低，将复杂问题拆分成易于求解的子问题分别求解，可以快速求解大规模复杂问题；(2)不牺牲总体生产效率，对于某些小批量、高附加值的精细化工产品，由于其工艺路线、产品方案的优化所产生的效益远远超过能量综合优化的效果，此时采用分步优化策略较为适用。分步优化的缺点在于无法得到全局的最优解。同步优化将调度和热集成综合成一个问题，能够协同优化生产调度和热集成，从而得到系统的最优解，对于工艺、设备技术趋于成熟的生产过程，同步优化能够获得更低的能源消耗和更少的设备投资，更有利于提高产业的技术竞争性。但是同步优化需要考虑的问题多，模型复杂，求解难度较大。
为了克服时间平均模型的缺点，Kemp等[7]提出了时间-温度级联法（time-dependent heat cascade analysis,TDHCA）。该方法将各个流股分配在不同的时间间隔内，在每个时间间隔内利用夹点分析法建立时间-温度级联计算出总换热量，并绘制出如图2所示的过程总组合曲线（grand composite curve,GCC），确定每一个时间间隔内的热集成情况，然后综合考虑间歇过程调度，优化换热网络，回收低品位的热能[8]。利用热储罐的形式，使得前一时间间隔夹点以下的热量，储存并传送到后面的时间间隔内的夹点上方使用，从而实现不同时间间隔内热量的传递。Kemp等[9]还绘制了时间-温度-热量的三维热级联图，如图3所示，直观反映了过程中温度和热流流率随时间的变化趋势；并实例证明了该方法的优势[10-12]。时间-温度级联法的关键是分析与时间相关的温度级联表格，这种分析策略是连续过程问题表格法的一种延伸。但时间-温度级联法在应用过程中并没有给出热量贮存及释放的具体信息，包括贮热物流、贮热量、贮热温度、贮热时间及贮热分配方案[13]。图2 总过程组合曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于换热器分时共享机制的多时期换热网络结构设计[J]. 陈彩虹,蒋达,钱锋. 化工进展. 2014(04)
[2]带有热储罐的间歇过程换热网络综合[J]. 都健,杨坡,刘琳琳,李继龙,陈静,陈鹏鹏. 化工学报. 2013(12)
[3]基于虚拟温度法的间歇过程换热器网络综合[J]. 刘琳琳,都健,肖丰,陈理,姚平经. 计算机与应用化学. 2009(08)
[4]带热贮存的间歇过程最小公用工程目标的确定[J]. 夏修庆,李玉刚,郑世清. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2007(02)
[5]考虑能耗影响的多产品间歇化工过程优化排序[J]. 朱振兴,卫宏远,杨华. 化工进展. 2006(12)
[6]间歇化工过程设计和能量综合优化研究进展[J]. 李志红,华贲. 石油化工设备. 2003(02)
[7]间歇过程能量平衡和平衡分析方法的研究[J]. 李志红,宋子明,袁志敏. 高校化学工程学报. 2002(01)
[8]一类间歇化工过程的热集成调度模型化研究[J]. 谢立,何星,张卫东,许晓鸣. 系统仿真学报. 2001(S1)
[9]间歇过程热回收目标的研究[J]. 张早校,冯霄,郁永章. 西安交通大学学报. 2000(08)
本文编号：3127810
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