水夹点分析与数学规划法相结合的用水网络优化设计

提出了水夹点分析和数学规划法相结合的用水网络最优设计法。水夹点分析基于对过程用水的理解,获得新鲜水用量目标并给出用水网络设计的基本规则。在此基础上建立过程使用新鲜水、排放废水和回用的各种可能匹配方案的用水网络超结构及其MINLP模型。既避免了用水夹点综合设计用水网络得不到真正意义上的最优解,又在一定程度上防止超结构规模过大,MINLP维数太高,求解困难。采用通用代数建模系统GAMS得到用水网络最优设计方案。文献中的应用实例表明,本文所提方法可充分发挥水夹点分析确定新鲜水用量或回用结构的简洁实用性和超结构MINLP寻求最佳方案的优点。     

有最大入口浓度限制的单杂质废水处理网络设计

分布式废水处理系统集成的本质特征之一是通过最大程度减少不必要的水流混合量而降低系统的总处理量。根据这一思想,提出了一种基于启发式规则的方法设计废水处理单元有最大入口浓度限制的单杂质废水处理系统。首先依据提出的规则确定处理单元的执行顺序,并在此基础上建立初始网络结构;然后通过计算确定最终网络结构。在设计过程中,上述规则的运用和最终网络结构的确定需要与杂质负荷平衡、夹点确定等废水处理网络设计的基本概念以及入口浓度限制条件相结合。对文献实例的研究表明,结果与数学规划法的求解结果相当,但设计过程更为简单且具有明确的工程意义。     

考虑温度约束的单杂质水网络优化

实际用水过程有温度的要求,在用水网络集成中考虑温度的约束,使水耗和能耗同时降低,具有重要的意义。此外,过程系统中还存在只有温度限制的与用水无关的过程流股,将水网络中的水流股与其同时考虑热集成,可以使能量得到更合理的分配利用。在全过程系统能量集成的背景下,建立了对应的水网络优化方法。首先使用现有的废水直接回用水网络LP模型求解初始水网络并提取流股数据,然后在4条非等温混合规则的判断下,依次比较水网络流股与背景夹点、全过程夹点的关系,以排除不合理的非等温混合,最后以年总费用最低为目标进行全过程系统的热集成。使用本文提出的方法对某案例进行优化,得到的年总费用减少了6.27%,证明了该方法的可行性。     

单杂质间歇过程用水网络优化

对间歇化工过程用水网络优化提出了基于非线性规划的优化设计方法。该方法采用一个中间贮罐用来接收各单元操作的排水,增加各单元操作之间的水再利用机会。对所有单元操作按照排水时间从早到晚进行排序,只有排在前面的操作才提供给后面的操作用水,结合其他的简化规则,构造了用水网络超结构。该超结构的数学模型为一组非线性方程,利用GAMS软件进行求解,得到各个周期的最小新鲜水量和最优的用水网络结构。实例计算结果表明,该方法可行。     

基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化

超结构用水网络规模大、结构复杂、求解比较困难。本文提出了基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化设计方法,该方法按出口浓度的单调性进行排列,使进口浓度或出口浓度达最大值以确定用水量,简化了用水网络超结构及数学模型。以最小新鲜水量为目标,以过程之间回用水量和废水量为基因,对简化后的用水网络运用遗传算法进行了优化设计。遗传算法采用浮点数编码方法,运用了算术交叉技术和种群间交叉技术。计算实例表明,本文所提方法可行,能利用最大水回用规则简化用水网络,并快速求出其最优解。     

水级联法确定间歇用水过程的夹点及废水最小化

利用水级联分析法对间歇过程用水网络进行研究,确定过程的用水夹点及最小新鲜水用量和最小废水排放量,提出了间歇用水过程的全局夹点的概念,考虑了用水过程的流率限制,在水级联表格中用流率替代了传统水级联分析法中的传质量,识别过程中每个时间段的局部夹点及公用工程目标,通过全局夹点和局部夹点的比较,指出过程的用水瓶颈,设置储罐打破瓶颈,使用水网络公用工程目标最小化。通过实例对水级联分析法进行了详细的阐述,计算结果与文献一致,表明该方法是一种易于理解、直观且简便有效的确定间歇过程用水网络的夹点及最小公用工程的方法。     

间歇过程单杂质用水网络设计

提出了一种利用时间-纯度两维用水图进行用水网络设计的方法，分别提出了无中间储罐和有中间储罐的设计规则。该方法把水的纯度作为一维，把时间作为另一维，从而更好地同时描述间歇用水过程的时间特性和杂质特性。它首先通过水级联分析技术确定间歇过程用水网络的夹点及最小公用工程，然后利用时间-纯度图和设计规则来合成用水网络，对有储罐的情况，确定了储罐的数量与容量，最后利用时间-水网络图描述了所合成的最优间歇过程用水网络，并探讨了用水过程流量对网络的影响。通过文献实例计算，表明该方法简单、直观、有效。     

并联连续再生/再循环的多杂质间歇用水系统优化方法

为了有效地减少多杂质间歇用水系统的新鲜水消耗量和再生处理量,针对多杂质间歇过程用水网络提出连续操作并联再生处理单元水网络结构模型及其优化设计方法。通过在用水网络中设置中间储罐和再生单元以实现对不同水质废水并联分质处理,建立了减少用水系统的新鲜水用量和再生水量以及废水排放量的数学规划模型,采用GAMS软件对一个实例进行求解。计算和分析表明：提出的水网络结构与优化设计方法可有效地解决按水质对废水进行并联处理的间歇用水系统,使系统的新鲜水用量和再生水流率同时达到最小。     

过程水系统集成技术及其进展

水系统集成技术是将整个企业的用水系统作为一个有机的整体来对待的一种技术,可以有效地节省新鲜水用量,并同时减少污水的排放.介绍了近年来在过程水系统集成方面的研究进展.对于常规水网络结构,主要包括两方面的研究水夹点技术与数学规划法,指出了两种技术的优势与缺陷及有待进一步研究的问题.还介绍了一种新的水网络--基于中水道的水网络--的研究与进展.     

含再生再利用的用水网络的优化设计

对单组分含再生再利用的用水系统,提出了一种基于序贯操作模型的整体优化设计方法。该方法分别针对单组分含再生再利用的用水网络设计可能存在的三种情况,以新鲜水和再生水用量最小为目标,给出了相应的设计策略,数学的表达是一个非线性规划。首先依据规则将操作对贫流的要求进行分段排序,并通过引入操作的质量交换分配系数αi,将各操作依据规则虚拟地分配为再生前过程和再生后过程,然后按操作序列逐级进行操作和操作水源之间的的优化匹配,建立含再生再利用的用水网络的序贯操作模型,最后将此综合问题归结为非线性规划问题来求解,从而完成用水过程的设计。给出了一个实例,计算结果表明本文方法是有效和简便易行的。     

A stepwise optimal design of water network☆

In order to take full advantage of regeneration process to reduce fresh water consumption and avoid the accumu-lation of trace contaminants, regeneration reuse and regeneration recycle should be distinctive. A stepwise opti-mal design for water network is developed to simplify solution procedures for the formulated MINLP problem. In this paper, a feasible water reuse network framework is generated. Some heuristic rules from water reuse net-work are used to guide the placement of regeneration process. Then the outlet stream of regeneration process is considered as new water source. Regeneration reuse network structure is obtained through an iterative optimal procedure by taking the insights from reuse water network structure. Furthermore, regeneration recycle is only utilized to eliminate fresh water usage for processes in which regeneration reuse is impossible. Compared with the results obtained by relevant researches for the same example, the present method not only provides an appro-priate regeneration reuse water network with minimum fresh water and regenerated water flow rate but also sug-gests a water network involving regeneration recycle with minimum recycle water flow rate. The design can utilize reuse, regeneration reuse and regeneration recycle step by step with minor water network structure change to achieve better flexibility. It can satisfy different demands for new plants and modernization of existing plants. ? 2016 The Chemical Industry and Engineering Society of China, and Chemical Industry Press. Al rights reserved.     

数学规划与图形方法相结合设计热集成用水网络

将数学规划法与图形方法相结合探究单杂质用水网络与换热网络的集成问题。首先构建混合整数非线性规划模型（MINLP）,在最小公用工程消耗下优化流股参数未知情况下的分离系统组合曲线面积,得到了最为节能、换热面积最小的用水网络结构。在此基础上,提出了新的分离系统组合曲线演化步骤和规则,可以得到换热单元数目较小的换热网络结构。算例表明,与现有的基于分离系统的热集成用水网络设计方法相比,在最小化公用工程用量的同时可以进一步降低换热器数目与总换热面积。     

基于分解算法的功热交换网络多目标优化

功热网络设计问题指在流程设计中对变压和换热过程进行耦合优化设计的问题,以此来提高整体系统的能效并降低成本。前人工作中一般采用数学规划法对功热网络建模优化。然而,由于存在变压过程和换热器面积计算的非线性约束,以及换热匹配的二元变量,整体模型往往是一个高度非凸的混合整数非线性规划模型,难以求解。本文提出一种高效的功热网络优化方法。模型中分别用透平压缩机和换热器实现功热网络中轴功和热的交换。求解过程采用分解算法,主问题中用随机算法对关键变量优化,功和热两个子网络问题中用确定性算法求解。目标函数考虑了经济和环境影响。案例测试对比了不同优化目标得到的结果以及多目标Pareto曲线,验证了所提出方法的高效性。     

Simultaneous optimization approach for integrated water-allocation and heat-exchange networks

A systematic design methodology is developed in this work for simultaneously synthesizing the multi-contaminant water-allocation and heat exchange network (WAHEN) in any chemical process. Specifically, a modified state-space representation is adopted to capture the structural characteristics of the integrated WAHEN, and a mixed-integer nonlinear program (MINLP) is formulated accordingly to minimize the total annualized cost (TAC) of the network design. In the proposed mathematical programming model, not only all possible water reuse and treatment options are incorporated, but also the direct and indirect heat-exchange opportunities are considered as well. To enhance the solution quality and efficiency, a stochastic perturbation procedure is introduced to generate reliable initial guesses for the deterministic optimization procedures and also, an interactive iteration method is developed to guide the search toward a potential global optimum. Three examples are presented in this paper to demonstrate the validity and advantages of the proposed approach.     

Machine learning-based predictive control of nonlinear processes. Part I: Theory

This article focuses on the design of model predictive control (MPC) systems for nonlinear processes that utilize an ensemble of recurrent neural network (RNN) models to predict nonlinear dynamics. Specifically, RNN models are initially developed based on a data set generated from extensive open-loop simulations within a desired process operation region to capture process dynamics with a sufficiently small modeling error between the RNN model and the actual nonlinear process model. Subsequently, Lyapunov-based MPC (LMPC) that utilizes RNN models as the prediction model is developed to achieve closed-loop state boundedness and convergence to the origin. Additionally, machine learning ensemble regression modeling tools are employed in the formulation of LMPC to improve prediction accuracy of RNN models and overall closed-loop performance while parallel computing is utilized to reduce computation time. Computational implementation of the method and application to a chemical reactor example is discussed in the second article of this series.     

考虑非等温混合的能量集成多杂质水网络优化设计

提出了一种分步综合多杂质体系水网络和换热网络的新方法。对于水网络,考虑进入操作单元的新鲜水与回用水之间的非等温混合,确保流股间的直接热回收;对于换热网络,可以只考虑水网络中的新鲜水和回用水流股之间的换热匹配。采用无进化次数的改进粒子群算法对本文建立的多杂质体系水网络非线性模型和换热网络混合整数非线性模型进行求解。实例表明,与不考虑非等温混合时比较,考虑非等温混合时的最优网络结构更简单,且年度总费用要节省2.4%。因此,本文提出的方法在实际生产中有较好的可行性和有效性。