间歇用水系统中废水回用的调度与操作周期调优

针对单杂质间歇用水网络中的新鲜水消耗量最小化问题,本文建立了基于连续时间的优化模型,用于废水直接回用的用水调度优化,并提出了操作周期长度调优的方法。目的在于通过调度优化增加废水回用机会以提高用水系统的废水回用率。采用GAMS软件对所建立的MINLP模型进行求解。研究表明:本文的数学优化模型能够有效地提高单杂质间歇用水过程的废水回用率并具有最优的操作周期长度。通过2个实例阐明了本文优化方法的有效性。     

间歇过程多杂质用水网络的研究

对含有多个杂质的间歇用水网络进行综合研究,提出了用水周期的概念,基于不失问题的内在特性原则,提出了模型简化的基本假设,并通过增加中间储罐来跨过时间约束,提出了基于超结构的多杂质用水网络模型,建立了该超结构模型的数学规划模型;提出了该数学模型的分步求解策略:①不考虑时间约束,将看成1个拟连续过程,获得间歇用水的目标网络;②引入时间约束,调整间歇用水网络结构,优化未稳定用水单元,向目标网络逼进;③最终获得最优的间歇用水网络结构.实例研究表明,本文提出的方法是问歇过程多杂质用水网络结构设计的有效工具,可在较少周期后获得稳定的网络结构,新鲜水用量可节省34.9%.     

关于多污染因子用水网络的建模与优化方法

当前对大规模多污染因子水网络的研究尚未深入,故用水网络设计多缺乏实际意义。今利用用水过程污染物传质模型构造水回用网络模型,以配合法求解多污染因子情况下最小新鲜水用量的实现方法,每1用水过程入水以新鲜水、低污染回用水和高污染回用水配合获得,使各过程关键污染因子为依据的进水流量比尽可能趋近1。各过程按出口极限浓度之积由低到高依次运算。该方法以过程为运算单元,避免软件求解,不受用水网络规模的限制,此方法在用水网络优化技术方面有所创新。最后通过实例说明该方法有效,以其指导某石化企业,节水效率达到17.81%。     

基于时间Petri网优化设计单杂质间歇过程用水网络

近20年来,间歇过程用水网络的研究得到了人们的广泛关注,并取得了一定的发展。以往对间歇过程的水网络集成研究多采用图解法和数学规划法,图解法无法解决与水质、水量无关的目标或约束,数学规划法计算复杂且较难确定最优解。Petri网具有直观的图形表现能力和严密的数学基础,并且具有强有力的分析技术与手段,非常适合于系统的描述和分析。同时时间Petri网是在Petri网的基础上加入时间因素,可用来建立间歇系统的动态模型。故针对半连续间歇化工过程的单杂质用水网络,本文提出了基于时间Petri网建模的方法,分别对有中间储罐和无中间储罐间歇用水网络进行了研究,首先采用水级联分析法构建了夹点分析通用模型,能够快速准确地确定用水过程的水夹点位置和最小新鲜水需求量。然后根据Petri网的逻辑表述能力、动态传播特性、自主学习机制以及水网络设计原则、水网络综合基本原则和水源匹配规则建立了水网络综合Petri网通用模型,对有中间储罐的情况还确定了中间储罐的位置、数量与容量,实现了单杂质间歇过程用水网络的优化设计。最后对文献中实例进行了研究,得到的夹点位置、新鲜水用量以及用水网络与文献中一致,表明提出的方法是可行和有效的。该方法模型简单、直观,避免了水级联表格的繁复计算,拓展了Petri网在过程领域的应用。     

耦合多个废水处理过程的再生再利用水网络优化设计

为了探讨处理后废水的分级利用,本文提出耦合多个水处理过程再生再利用水网络,包括多股新鲜水源,过程水源/水阱以及多个水处理过程串联构成的水处理系统。首先对水网络进行详细的物料衡算分析,结合自动确定目标值的方法,分别以最小化高品质新鲜水源的流率,新鲜水源的总流率和运行成本为目标函数,构建3个优化的非线性规划模型,利用商业优化软件LINGO V13.0建模及内置的Global Solver进行求解,并对优化结果进行分析比较。结果表明,模型Ⅲ优化的总运行成本达到最低值440.83 RMB/h,新鲜水量适中,整体水处理系统的负荷较低,而且最终污染物排放浓度低于设定的上限值,有利于满足未来日益严格的环保法规要求。     

基于夹点技术的啤酒用水网络优化与设计

采用了水级联技术(Water Cascade Analysis,WCA)和累积夹点法(Cumulative Pinch Technology)对啤酒厂水网络进行优化,采用的累积夹点法用累积流量代替传统夹点法中的流率为横坐标,累积负荷为纵坐标,绘制出复合曲线图,水级联法采用纯度确定出水夹点,并最终获得2种方法下的新鲜水用量和废水排放量。结果显示2种方法得到的新鲜水用量和废水排放量数据完全一致,表明这2种方法均可简单有效的处理水网络问题。最后根据最小公共工程利用近邻设计原则(Nearest NeighborsAlgorithm,NNA)对啤酒厂水网络进行设计,得出啤酒厂用水网络的最佳方案。     

化工过程系统多目标夹点分析的模型框架与步骤

减少水、能源和资源利用是化工生产过程中面临的最重要的挑战.通过对化工过程系统进行分析,本文将过程集成技术中的水夹点、热夹点和碳夹点技术相结合,提出多目标夹点分析方法.分析了在化工过程中用水、热公用工程以及碳排放的关系,提出洋葱头修改概念图,增加二氧化碳排放和能源规划环节.在同时考虑化工生产过程中的水、热和能源多方面因素的情况下,提出基于贯序的多目标夹点分析与设计方法,建立了详细的模型框架以及设计步骤.具体步骤如下:(1)基础数据提取;(2)无水回用情况下的新鲜水用量;(3)基于累积流量-累积负荷图,确定最小新鲜水用量和最小废水排放量以及夹点的位置;(4)确定新鲜水节约效率;(5)进行水网络设计:(6)运用累积负荷-累积流量-温度图,确定最大公用工程用量,绘制能量匹配图;(7)从水网络设计图中提取热集成数据,计算最小公用工程数据;(8)计算节能效率;(9)基于累积能源-累积二氧化碳排放组合图,确定最终的能源资源分配.按以上步骤可确定最小新鲜水用量、最小废水排放量、最小公用工程、最小清洁能源使用量.     

线性规划法确定用水网络最小用水量

水污染和水资源短缺是人类面临的重大问题。因此,改善用水过程以节约新鲜水,减少废水排放是值得认真研究的课题。本文提出了确定用水过程最小用水量的新方法一线性规划法。分别研究了单组分再利用、再生再利用、再生循环最小用水量问题,把它们归结为线性规划来求解,其中对于再生再利用和再生循环分别提出了两步线性规划法。对于再生再利用过程,第一步建立线性规划l,以确定整个过程的最小新鲜水和相应的最小再生水用量,第二步将第一步所获得的整个过程的最小用水量和相应的最小再生量以及最低再生浓度区间作为已知量,采用与线性规划l同样的约束建立线性规划2,再次求解即可得最低再生浓度c。。此外,本文发现再生再利用过程的最小用水量和再生浓度之间存在两种关系,这两种关系表明获得最小新鲜水用量和再生量的最低再生浓度存在两种可能：夹点处和夹点之上,从而得出了与文献“夹点处再生能获得最小新鲜水用量”不同的结论,即夹点处再生未必总能获得最小新鲜水用量。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。     

过程工业水分配网络系统集成的NLP模型

针对单组分杂质用水和废水处理网络同步集成最优化问题,以最小总操作费用为目标,建立了非线性规划(NLP)模型。该模型既考虑了新鲜水费用和水处理费用之间存在的耦合关系以实现二者的优化均衡,又考虑了环境排放标准及分散式处理网络对水网络集成的影响。采用商业优化软件GAMs对算例问题进行求解,结果表明本文提出的模型能有效处理工业水分配网络系统的优化集成问题,与用水网络和废水处理网络分别集成相比,在年总费用上有不同程度的减小,较好地实现了过程工业在满足环保排放规定前提下的经济效益最大化。     

间歇过程多杂质用水网络的超结构模型及求解

增加中问储罐摆脱时间约束,将间歇过程多杂质用水网络看成一连续过程.先建立引入分配因子的间歇用水网络的超结构模型,求解出最优网络,其次引入时间约束,确定再用次序,在最短的周期内使网络结构达到稳定,最后通过优化储罐和分配器的数量,找出间歇过程多杂质用水网络的最优结构.实例证明本文的方法可以有效解决间歇过程多杂质用水网络的问题.     

基于固定再生水浓度的水网络设计

节水及废水减排已成为过程工业持续发展的前提之一。运用目标导向的夹点分析技术对过程用水网络系统进行系统地分析,可确定过程用水、再生水用量和废水排放量的最小目标。以固定再生出口浓度为基准,提出确定合理再生流股的方法,基于累积流量一累积污染质量负荷组合曲线图得出最小再生水流量,并运用最近邻算法确定包含再生单元的用水网络。     

Improved optimization methods for refinery hydrogen network and their applications

Heavier market competition and tighter environmental legislation lead to the increasing demand for hydrogen in refinery. Hence it is necessary for refinery to seek effective hydrogen management strategies to satisfy the increasing hydrogen requirements. In this paper, two improved systematic mathematical methods are developed based on two-step approach and simultaneous optimization approach respectively to retrofit the hydrogen network in refinery. To make the proposed approaches more suitable for real systems, the flowrate and purity at the reactor inlet of hydrogen consumers and the hydrogen recovery of purification units are considered as variables, and the minimum pure hydrogen of hydrogen consumers must be satisfied. Then the corresponding optimization problem is mathematically transformed to a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem. However, solving a MINLP model directly will result in inconsistency in solution quality and time. In this paper, the solving of the complex MINLP formulation is avoided by using a mixed-integer linear programming (MILP) linearization technique, resulting in better quality, stability, and efficiency than solving the MINLP model directly. The proposed approaches in this paper could make the best use of resources and consequently provide significant environmental and economic benefits for refinery. A real case study is presented to illustrate the applicability of the proposed approaches.     

水网络优化设计柔性综合

水网络优化设计方法有夹点法和数学规划法,但都没有考虑不确定参数的影响,不确定参数的存在,可能使水网络超出其操作范围,影响到整个系统的运行。本文提出不确定性条件下水网络优化设计方法,即水网络优化设计柔性综合,应用多目标优化方法中的分层法,首先满足柔性要求,然后优化水网络,使设计水网络满足柔性要求且用水量最少。用示例检验设计出的水网络可以满足柔性要求且新鲜水用量最少。并用一示例加以说明。     

逐步非线性规划法求解多组分废水最小化问题

对多组分用水系统的优化设计即废水最小化问题进行了研究，在逐步线性规划法的基础上，提出了逐步非线性规划法的过程优化设计方法。新方法首先按每个组分的限定浓度对各操作进行排序，然后对每个操作序列进行逐级优化匹配。然后通过比较选出一个用水量最小的设计，作为过程的最终设计。其中，对单元操作i的优化匹配就是解非线性规划问题。并通过一个实例计算结果表明，本文算法是简单而有效的。     

多目的批处理过程的短期调度

基于状态任务网络(STN)描述批处理过程,提出了多目的批处理过程的混合整数规划(MILP)调度数学模型.建模采用连续时间描述,并将任务和设备分配集中表达为一类0-1变量.为进一步提高模型的求解效率,根据过程和所建数学模型的特点,提出了一些有效的方法,以减小模型的规模.实际计算表明,该数学模型及减小模型规模的方法是有效的.     

A mathematical programming framework for early stage design of wastewater treatment plants

The increasing number of alternative wastewater treatment technologies and stricter effluent requirements make the optimal treatment process selection for wastewater treatment plant design a complicated problem. This task, defined as wastewater treatment process synthesis, is currently based on expert decisions and previous experiences. This paper proposes a new approach based on mathematical programming to manage the complexity of the problem. The approach generates/identifies novel and optimal wastewater treatment process selection, and the interconnection between unit operations to create a process flow diagram. Towards this end, a superstructure approach is used to represent the treatment alternatives for reaction and separation. A generic process interval model is used to describe each alternative in terms of input–output mass balances including conversion and separation factors. Next the design problem is formulated as a Mixed Integer (Non)linear Programming problem – MI(N)LP – and solved. A case study is formulated and solved to highlight the application of the framework.