精细搜索策略应用于质量交换网络综合

质量交换网络是化工过程系统的重要组成部分,其优化设计对降低污染排放具有重要意义。采用启发式算法优化质量交换网络时,存在难以兼顾全局搜索和局部搜索的问题。通过分析不同精度优化参数下的优化结果,揭示了该问题的成因,并提出一种精细搜索策略用于基础算法所得结构的深度优化。该策略包含两种方法,方法1采用具有个体回代与分化的高精度强制进化随机游走算法,可保留个体结构变异能力;方法2采用确定性方法依次对多维目标函数中的每个变量进行一维搜索,具有精度高收敛快的优点。将该策略应用于焦炉气脱硫和空气除氨算例,得到的结果分别为407308 USD·a^-1和127807 USD·a^-1,经济性优于现有文献中的结果,验证了本策略的有效性。     

质量交换网络综合

质量交换网络(MEN)综合是过程系统工程的新兴分支方向.本文介绍了质量交换网络综合的研究内容和研究进展,对两类研究方法即目标设定法和效学规划法做了简要介绍,对伴随反应的质量交换网络、热致分离网络、废物截断分配网络等3种重要的MEN进行了详细阐述.指出今后应加强质量集成在预防污染和清洁生产中的应用研究,进行能量集成和质量集成相结合的全面的过程集成研究,其发展方向是考虑各种实际因素的MEN研究.     

不相容多组分质量交换网络综合

The multi-component incompatible phenomena of a single mass exchanger was analyzed and the method for the optimal flow rate of lean stream was proposed. Genetic algorithm was used to optimize the MEN. To solve the incompatible phenomena the method of encoding the number of trays of each mass exchanger was proposed. The method was illustrated with an example. In contrast to the result previously published, the final network obtained was the cheapest. Furthermore, the method could also deal with incompatible multi-component MEN.     

采用结构保护策略的强制进化随机游走算法优化换热网络

鉴于强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution, RWCE）在优化换热网络时可能出现有潜力结构被差解代替,提出了一种结构保护策略,增加一个与原种群平行进化的新种群,新种群执行结构保护,个体与原种群一一对应并接收其当前最优解,同时采用一种降维邻域搜索的进化方式,设置个体各维变量更新概率确定搜索维数,充分挖掘个体结构进化潜力,提升了算法的局部搜索能力;原种群则沿用RWCE的主要操作,保留了较强的全局搜索能力。将采用结构保护策略的RWCE算法用于有分流换热网络优化,取得了优于现有文献的结果。     

基于转运模型的功交换网络综合

功交换网络作为能量回收系统的重要组成部分,其设计水平的高低对过程系统的能耗将有着重要的影响,但是目前对功网络综合的研究仍处于理论研究的起步阶段.本文根据功级联分析,首次提出了一种基于转运模型进行功交换网络综合的新方法.该方法以公用工程用量最小为目标函数,建立了适用于等温过程的LP数学模型.通过提出构造低压流股压力中间值的策略,解决直接式功交换匹配过程中压力约束的限制,在每个压力间隔内寻求可行流股匹配,从而得到功交换的初始网络结构;再根据所提的合并相邻压力间隔的策略,进一步减少公用工程用量,进而达到优化网络结构的目的.最后通过实例计算,验证了本文方法的可行性及有效性.     

一种新的用于换热网络全局优化的强制进化随机游走算法

应用启发式方法在换热网络全局优化上的优点,提出了一种全新的强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE）,算法以目标函数减小为强制方向,通过各换热单元面积的随机扩大或缩小,同时实现了整型变量（换热单元数）和连续变量（换热单元面积）的同步优化。另外,算法能够以一定的概率选择接受差解,使其具备极强的跳出局部最优解的能力和全局搜索能力。算例验证表明,RWCE算法相比于其他启发式方法具有程序简单、更易实现、算法适应性及全局搜索能力更强的优点,使优化质量得到进一步提升。     

RWCE优化换热网络的不可行解影响分析及强化策略

换热网络优化问题常以外罚函数法处理约束,赋予违反约束的不可行解较大的罚值。强制进化随机游走算法(RWCE)优化换热网络时,其非贪婪搜索机制使不可行解以一定概率被保留,从而改变全局寻优过程。本文首先分析不可行解对优化进程的影响,揭示偏移量较小的不可行解对结构进化的促进作用;然后提出差解概率动态调整策略,合理利用不可行解的正面作用,强化结构进化能力;最后,鉴于上述优化结果中偏移量较小的不可行解居多,提出一种可行化策略,通过分段罚指数和双种群优化技术促使过程中有潜力的不可行解快速返回可行域,并提升优化质量。将结合两条强化策略的改进算法应用于16股流与15股流算例,优化结果较文献最优解分别节省了0.35%、0.48%,表明改进后的算法较原算法全局搜索能力得到了显著提升。     

质量交换网络

质量交换网络自从1989年提出以来,作为发展循环经济和建设资源节约企业和社区的理论方法,获得长足进步。本文从基本概念、理论方法(特别是夹点分析方法)到工业应用做了全面综述。     

采用浓度差同步优化的质量交换网络设计

质量交换网络(MEN)综合作为过程集成的一个分支,越来越受到过程系统工程领域的广泛关注。因为质量交换网络综合时,贫、富流股之间对应的浓度差(ε)反映传质推动力,影响操作费用和投资费用的大小,所以对其进行优化意义重大。而现有的质量交换网络综合设计一般将贫、富流股之间对应的最小允许浓度差假设为固定值,不能保证得到最优的质量交换网络。针对这一问题,介绍了一种同步优化方法,既能处理单杂质体系,又能处理多杂质体系,建立质量交换网络的超结构模型, 以年度总费用(TAC)最小为目标,将每一对贫、富流股对应的浓度差作为变量,权衡操作费用和投资费用,并利用改进的遗传算法求解,同步得到年度总费用的最小值以及对应的一组最优浓度差,从而得到最优的质量交换网络。     

一种大步长激励的结构进化策略应用于换热网络优化

强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE）具有进化策略简单、控制参数少、全局搜索能力强等特点,是换热网络优化的一种有效方法。鉴于步长对RWCE算法跳出局部最优解有重要的影响,针对RWCE算法的步长分布进行研究,通过分析大步长在局部极值跳出中的作用机理,建立了一种全新的步长组合生成方法,并据此提出了一种大步长激励的结构进化策略。最后,通过3个算例验证了结构进化策略的有效性,与文献结果进行对比,结果表明大步长激励的结构进化策略提高了算法的全局搜索能力。     

Heat,mass, and work exchange networks

Heat (energy), water (mass), and work (pressure) are the most fundamental utilities for operation units in chemical plants. To reduce energy consumption and diminish environment hazards, various integration methods have been developed. The application of heat exchange networks (HENs), mass exchange networks (MENs), water allocation heat exchange networks (WAHENs) and work exchange networks (WENs) have resulted in the significant saving of energy and water. This review presents the main works related to each network. The similarities and differences of these networks are also discussed. Through comparing and discussing these different networks, this review inspires researchers to propose more efficient and convenient methods for the design of existing exchange networks and even new types of networks including multi-objective networks for the system integration in order to enhance the optimization and controllability of processes.     

RWCE算法中采用单元重构策略激励换热网络结构优化

应用强制进化随机游走算法优化换热网络的过程中,通过监测最优结构中换热单元优化进程,探究总体结构进化特点,发现存在换热单元先入为主的现象,主体结构稳固难以被突破,导致换热网络优化进入“停滞”状态。基于此,提出了换热单元重构策略,该策略旨在增强结构变异能力,经过一定阶段概率性消除结构中既有换热单元,腾出结构进化空间,再依据约束条件重新构建换热单元,既丰富了结构多样性又扩大了搜索域。此外建立优化状态监测指标,维持结构较高的变异活性,增强算法全局寻优能力。最后将该策略加入算法流程优化多个换热网络实例,总结分析其作用机理,所得结果均优于现有文献结果,证实了该策略的有效性。     

Optimal design of batch mass exchange networks with multipurpose exchange units

A novel mathematical model for simultaneous optimization of batch mass exchange networks with multipurpose mass exchange units that can be shared by more than one match in different periods is presented in this work. It can be shown that both utility cost and capital investment can be reduced simultaneously with the use of multipurpose mass exchangers and mass storage tanks. Specifically, state-space superstructure that does not contain any structural simplification is proposed to capture the entire characteristics of the network configuration and a mixed-integer nonlinear optimization model is then formulated accordingly to generate the optimal batch operating policies and the corresponding flowsheet. Two examples are presented in this paper to demonstrate the validity and advantages of the proposed approach.     

Mass exchange network synthesis using genetic algorithms

Mass Exchange Networks (MENs) are used in the chemical industry to reduce the waste generated by a plant to an acceptable level at the cheapest cost. Finding the optimal network, however, is often difficult due to the non-convexity of the mathematical representation of the problem. This paper describes a novel approach for the synthesis of MENs and MENs with regeneration using Genetic Algorithms (GA), a stochastic optimisation technique based on the concepts of natural evolution. We present an encoding for a genetic algorithm which describes a rich search space, considering both stream splitting and in-series exchangers. For a certain class of problems, all encoded solutions are feasible and require a simple evaluation to yield a cost, resulting in an efficient genetic algorithm. For other problems, the number of infeasible solutions is small, having little effect on the convergence of the genetic algorithm. In comparison with other methods, the GA presented herein is able to find better networks than have been reported elsewhere.     

功热交换网络综合的研究进展

功和热是化工工业中使用能源的两种最主要方式,由于流股压力、温度操作需要消耗大量的功热,因此研究功热的协同利用对于提高过程整体能源利用率具有重要的意义。本文首先概述了基于热力学分析的功热交换网络综合的研究情况,以系统?耗最小为目标探讨压缩机、膨胀机优化配置与换热网络用能瓶颈的耦合关系,揭示了功热协同利用的作用机制。然后系统地总结了以年度总费用最小为目标的数学规划模型综合功热交换网络的研究进展,探寻压力操作路径、流股功/热交换匹配、公用工程消耗量及设备投资之间的有效权衡;最后对后续研究进行展望,指出可进一步探究考虑流股冷热性质判定的功热交换网络同步综合、公用工程系统优化与功热交换网络同步设计的耦合等。