基本信息
- 项目名称：
- 间歇过程的生产调度与水分配网络的同时优化
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究旨在整合间歇过程的生产调度和水分配网络，从而在节水减排的要求下实现经济效益最大化。研究中综合运用状态任务网络和状态设备网络将整个间歇过程的生产流程和水分配网络结构清晰直观地展现出来。针对所建立的模型，我们设计了随机型与确定型相结合的有效求解算法以期求得全局最优。此外，本研究首次解决了多杂质间歇水分配网络的设计，并且首创性地构建了评价和降低网络复杂度的模型。该工作不但具有较高的科研价值，而且对生产实际具有重大的指导意义。
- 详细介绍：
- 间歇过程由于非常适宜高附加值的精细化工产品的生产而受到广泛关注。与连续过程相比，间歇过程的生产流程更具弹性并且能够对市场做出更及时的响应，从而可以提高企业的市场竞争力。同时，水又是大多数的化工企业生产必不可少的资源。面对巨大的需求量，水资源却相对匮乏，尤其近年来水体不断受到污染，新鲜水以及废水处理的成本不断攀升，因此研究间歇过程的生产调度和水分配网络设计具有重大的经济和环境效益。目前相关的研究大多停留在生产调度、水分配网络的分别优化阶段，其中的水分配网络综合的研究工作也主要集中于水回用网络和废水处理网络的分别设计，因此相关研究难以保证整个企业生产的全局优越性。 本研究首次利用系统化的方法实现了间歇过程生产调度和水分配网络的同时优化。所构建的数学模型和求解策略均优于以往的研究工作。这主要体现于以下几个方面：第一，首创性地将状态空间超级结构扩展为基于状态设备网络和状态任务网络的两种描述方式，清晰地表达出整个间歇水分配网络的拓扑结构，为同时优化提供了完备的解空间；第二，研究还首次引入了混合器和分配器费用的概念对网络结构复杂度进行了评价和简化；第三，通过结合通用代数建模系统（GAMS）中的DICOPT算法和遗传算法（GA）的优点，本研究设计并实现了确定型与随机型相结合的混合求解算法来解决所建立的混合整数非线性规划（MINLP）模型。最后，本研究也首次实现了多杂质间歇水分配网络的求解。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本研究旨在建立间歇过程生产调度和水分配网络的同时优化模型，使其成为节水减排以及提高工厂运营效益的系统化可行方法。本研究首先基于连续时间表示法构建了生产调度的模型；继而通过时间描述的转换以及处理量的关联将生产调度与水分配网络结合起来。随后，我们利用蕴含式状态时空间超级结构描述了水分配网络的拓扑结构，并在此基础上兼顾网络复杂度的影响建立起水分配网络模型。最后，我们设计了有效的混合型的算法进行求解。
科学性、先进性及独特之处
- 过去的研究大多将间歇生产调度，用水网络及废水处理网络这三个紧密相连的子系统分开讨论，缺乏系统性。本文在同一模型中整合了以上三者，并通过三者的权衡获得更优越的整体设计。本研究首次提出了描述间歇过程的状态时空间超级结构，同时还考虑了网络复杂度对系统设计的影响。此外，我们设计了确定型与随机型相结合的算法来求解生成的大规模混合整数非线性规划模型。最后，研究首次实现了复杂的多杂质间歇水分配网络的综合。
应用价值和现实意义
- 本研究对间歇生产调度和水分配网络进行同时优化，建立的数学模型可为企业生产流程的概念设计和改造提供可靠依据。同时，本研究通过对工艺生产以及水分配网络的整合达到了节水减排的目标，为绿色化工和清洁生产提供了系统化的设计方法及解决方案。 该研究成果已应用大庆合成氨流程设计中，较原有工艺节能2GJ/tNH3，废水废气排放减少16%，年创利1500万。获得了显著地经济效益、社会效益和生态效益。
学术论文摘要
- 本研究首次利用系统化的方法实现了间歇过程的生产调度和水分配网络的同时优化。所构建的数学模型和求解策略均优于以往的研究，这主要体现于以下几个方面：第一，首创性地将状态设备网络（SEN）和状态任务网路（STN）的概念同时整合到状态空间超级结构（State-Space Superstructure）中用于表达整个间歇水分配网络的拓扑结构；第二，本研究还首次引入了混合器和分配器的费用对网络结构复杂性进行了评价和简化；第三，通过结合通用代数建模系统（GAMS）中的DICOPT确定型算法和遗传算法（GA）的优点，本研究设计了混合型算法来解决所建立的混合整数非线性规划（MINLP）模型。最后，我们通过两个具体的案例来展示该方法的合理性和优越性，并首次实现了多杂质间歇水分配网络的综合。
获奖情况
- 1. Simultaneous Optimization of Batch Process Schedules and Water-Allocation Network. Comput.Chem.Eng.2009,33, 1153-1168. (SCI, EI, IF:1.755) 2. A Simultaneous Approach for Batch Water-Allocation Network Design. In Proceedings of the seventh international conference on foundations of computer-aided process design (pp.213-222). 3. Simultaneous Optimization of Batch Process Schedules and Water-Allocation Network. The 12th (2008) APCChE meeting, Dalian, PRC. Oral Presentation
鉴定结果
- 论文1 发表在国际著名期刊CCE上（IF：1.755）。2为美国化学工程师学会的FOCAPD中大陆唯一被接收的论文。3为APCChE特邀报告。研究获NSFC项目No. 20876020支持。
参考文献
- (1) Ierapetritou, M. G.; Floudas, C. A. Effective continuous-time formulation for short-term scheduling. Part 1. Multipurpose batch processes. Ind. Eng. Chem. Res. 1998, 37, 4341. (2) Cheng, K. F.; Chang, C. T. Integrated Water Network Designs for Batch Processes. Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 1241. (3) Bagajewicz, M.; Manousiouthakis, V. On the mass/heat exchanger network representations of distillation networks. A.I.Ch.E. Journal. 1992, 38, 1769. (4) Bagajewicz, M.; Pham, R.; Manousiouthakis, V. On the state space approach to mass/heat exchanger network design. Chem. Eng. Sci. 1998, 53, 2595. (5) Almato, M.; Espuna, A.; Puigjaner, L. Optimization of water use in batch process industries. Comput. Chem. Eng. 1999, 23, 1427. (6) Kim, J. K.; Smith, R. The automated design of discontinuous water systems. Trans. Inst. Chem. Eng., PartB 2004, 82, 238.
同类课题研究水平概述
- 相对于连续过程，间歇水分配网络的设计更加复杂，这主要是因为水回用的机会不仅要满足流量和杂质浓度的约束，而且还要遵循时间顺序的限制。Wang和Smith（1995）首先提出了时间夹点分析技术，解决了间歇用水网络的废水最小化问题。Almato等人（1999）建立了水回用与废水处理网络的非线性规划模型。之后，Kim和Smith（2004）也提出了混合整数非线性规划模型来设计水回用网络。Majozi（2005）使用了连续时间表示法整合了间歇过程中的生产调度与水回用网络设计。在废水处理网络方面，McLaughlin 等人（1992）曾指出间歇过程中产生的废水需混合后再分配，因此必须引入缓冲槽。Chang和Li等人（2006）曾利用数学规划方法来设计间歇水分配网络中的缓冲槽系统。随后，Ng等人（2007）整合了水回用和废水处理子网络，并利用夹点技术对该问题进行了求解。 在间歇过程生产调度的优化研究中，时间的描述方式至关重要。现有的研究根据不同的时间描述方式可分为两类：一种是离散时间表示法，另一种是连续时间表示法。Kondili等人(1993)提出了离散时间间隔表示法，该方法把生产周期划分为若干个等间距的时间间隔，并假设在这些时间间隔内所有的生产变量保持恒定。然而，该模型中含有大量的二元变量，故求解较为困难。随后，Ierapetritou和Floudas (1998)提出了基于连续时间表示法的模型。该模型通过引入事件点的概念将操作和设备拆开来分别考虑。该模型不仅简明地解决了平行操作和备用单元的问题，克服了操作不具有弹性的缺点，而且也有效地减少了变量的数目。 在以上研究中，间歇过程生产调度、水回用和废水处理子系统都是分别研究的，缺乏系统性。Cheng和Chang（2007）首先将上述三者同时整合到一个模型中来实现整厂的单杂质水网络与生产调度的优化。但是该研究中采用了离散时间表示法来优化生产调度。此外，文中的互联式超级结构不具有完备性，而且没有反映操作与设备的对应关系。最后，该研究对所建立的模型没有提出有效的算法，因而无法保证结果的优越性。 本研究解决了间歇过程超级结构完备性的难点并确立了状态空间超级结构。同时，本文建立了评价网络复杂度的模型并采用了确定型与随机型相结合的求解策略，从而在真正意义上实现了生产调度于水分配网络的一体化设计。
