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基本信息

項目名稱：
間歇過程的生產(chǎn)調(diào)度與水分配網(wǎng)絡(luò)的同時優(yōu)化
小類：
能源化工
簡介：
本研究旨在整合間歇過程的生產(chǎn)調(diào)度和水分配網(wǎng)絡(luò)，從而在節(jié)水減排的要求下實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。研究中綜合運用狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)將整個間歇過程的生產(chǎn)流程和水分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰直觀地展現(xiàn)出來。針對所建立的模型，我們設(shè)計了隨機(jī)型與確定型相結(jié)合的有效求解算法以期求得全局最優(yōu)。此外，本研究首次解決了多雜質(zhì)間歇水分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，并且首創(chuàng)性地構(gòu)建了評價和降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的模型。該工作不但具有較高的科研價值，而且對生產(chǎn)實際具有重大的指導(dǎo)意義。
詳細(xì)介紹：
間歇過程由于非常適宜高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)而受到廣泛關(guān)注。與連續(xù)過程相比，間歇過程的生產(chǎn)流程更具彈性并且能夠?qū)κ袌鲎龀龈皶r的響應(yīng)，從而可以提高企業(yè)的市場競爭力。同時，水又是大多數(shù)的化工企業(yè)生產(chǎn)必不可少的資源。面對巨大的需求量，水資源卻相對匱乏，尤其近年來水體不斷受到污染，新鮮水以及廢水處理的成本不斷攀升，因此研究間歇過程的生產(chǎn)調(diào)度和水分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有重大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。目前相關(guān)的研究大多停留在生產(chǎn)調(diào)度、水分配網(wǎng)絡(luò)的分別優(yōu)化階段，其中的水分配網(wǎng)絡(luò)綜合的研究工作也主要集中于水回用網(wǎng)絡(luò)和廢水處理網(wǎng)絡(luò)的分別設(shè)計，因此相關(guān)研究難以保證整個企業(yè)生產(chǎn)的全局優(yōu)越性。 本研究首次利用系統(tǒng)化的方法實現(xiàn)了間歇過程生產(chǎn)調(diào)度和水分配網(wǎng)絡(luò)的同時優(yōu)化。所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型和求解策略均優(yōu)于以往的研究工作。這主要體現(xiàn)于以下幾個方面：第一，首創(chuàng)性地將狀態(tài)空間超級結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為基于狀態(tài)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的兩種描述方式，清晰地表達(dá)出整個間歇水分配網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為同時優(yōu)化提供了完備的解空間；第二，研究還首次引入了混合器和分配器費用的概念對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度進(jìn)行了評價和簡化；第三，通過結(jié)合通用代數(shù)建模系統(tǒng)（GAMS）中的DICOPT算法和遺傳算法（GA）的優(yōu)點，本研究設(shè)計并實現(xiàn)了確定型與隨機(jī)型相結(jié)合的混合求解算法來解決所建立的混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型。最后，本研究也首次實現(xiàn)了多雜質(zhì)間歇水分配網(wǎng)絡(luò)的求解。

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  • 間歇過程的生產(chǎn)調(diào)度與水分配網(wǎng)絡(luò)的同時優(yōu)化

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本研究旨在建立間歇過程生產(chǎn)調(diào)度和水分配網(wǎng)絡(luò)的同時優(yōu)化模型，使其成為節(jié)水減排以及提高工廠運營效益的系統(tǒng)化可行方法。本研究首先基于連續(xù)時間表示法構(gòu)建了生產(chǎn)調(diào)度的模型；繼而通過時間描述的轉(zhuǎn)換以及處理量的關(guān)聯(lián)將生產(chǎn)調(diào)度與水分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來。隨后，我們利用蘊含式狀態(tài)時空間超級結(jié)構(gòu)描述了水分配網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上兼顧網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的影響建立起水分配網(wǎng)絡(luò)模型。最后，我們設(shè)計了有效的混合型的算法進(jìn)行求解。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

過去的研究大多將間歇生產(chǎn)調(diào)度，用水網(wǎng)絡(luò)及廢水處理網(wǎng)絡(luò)這三個緊密相連的子系統(tǒng)分開討論，缺乏系統(tǒng)性。本文在同一模型中整合了以上三者，并通過三者的權(quán)衡獲得更優(yōu)越的整體設(shè)計。本研究首次提出了描述間歇過程的狀態(tài)時空間超級結(jié)構(gòu)，同時還考慮了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度對系統(tǒng)設(shè)計的影響。此外，我們設(shè)計了確定型與隨機(jī)型相結(jié)合的算法來求解生成的大規(guī)?；旌险麛?shù)非線性規(guī)劃模型。最后，研究首次實現(xiàn)了復(fù)雜的多雜質(zhì)間歇水分配網(wǎng)絡(luò)的綜合。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

本研究對間歇生產(chǎn)調(diào)度和水分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同時優(yōu)化，建立的數(shù)學(xué)模型可為企業(yè)生產(chǎn)流程的概念設(shè)計和改造提供可靠依據(jù)。同時，本研究通過對工藝生產(chǎn)以及水分配網(wǎng)絡(luò)的整合達(dá)到了節(jié)水減排的目標(biāo)，為綠色化工和清潔生產(chǎn)提供了系統(tǒng)化的設(shè)計方法及解決方案。 該研究成果已應(yīng)用大慶合成氨流程設(shè)計中，較原有工藝節(jié)能2GJ/tNH3，廢水廢氣排放減少16%，年創(chuàng)利1500萬。獲得了顯著地經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

學(xué)術(shù)論文摘要

本研究首次利用系統(tǒng)化的方法實現(xiàn)了間歇過程的生產(chǎn)調(diào)度和水分配網(wǎng)絡(luò)的同時優(yōu)化。所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型和求解策略均優(yōu)于以往的研究，這主要體現(xiàn)于以下幾個方面：第一，首創(chuàng)性地將狀態(tài)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（SEN）和狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)路（STN）的概念同時整合到狀態(tài)空間超級結(jié)構(gòu)（State-Space Superstructure）中用于表達(dá)整個間歇水分配網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；第二，本研究還首次引入了混合器和分配器的費用對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性進(jìn)行了評價和簡化；第三，通過結(jié)合通用代數(shù)建模系統(tǒng)（GAMS）中的DICOPT確定型算法和遺傳算法（GA）的優(yōu)點，本研究設(shè)計了混合型算法來解決所建立的混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型。最后，我們通過兩個具體的案例來展示該方法的合理性和優(yōu)越性，并首次實現(xiàn)了多雜質(zhì)間歇水分配網(wǎng)絡(luò)的綜合。

獲獎情況

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

鑒定結(jié)果

論文1 發(fā)表在國際著名期刊CCE上（IF：1.755）。2為美國化學(xué)工程師學(xué)會的FOCAPD中大陸唯一被接收的論文。3為APCChE特邀報告。研究獲NSFC項目No. 20876020支持。

參考文獻(xiàn)

(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.

同類課題研究水平概述

相對于連續(xù)過程，間歇水分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計更加復(fù)雜，這主要是因為水回用的機(jī)會不僅要滿足流量和雜質(zhì)濃度的約束，而且還要遵循時間順序的限制。Wang和Smith（1995）首先提出了時間夾點分析技術(shù)，解決了間歇用水網(wǎng)絡(luò)的廢水最小化問題。Almato等人（1999）建立了水回用與廢水處理網(wǎng)絡(luò)的非線性規(guī)劃模型。之后，Kim和Smith（2004）也提出了混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型來設(shè)計水回用網(wǎng)絡(luò)。Majozi（2005）使用了連續(xù)時間表示法整合了間歇過程中的生產(chǎn)調(diào)度與水回用網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在廢水處理網(wǎng)絡(luò)方面，McLaughlin 等人（1992）曾指出間歇過程中產(chǎn)生的廢水需混合后再分配，因此必須引入緩沖槽。Chang和Li等人（2006）曾利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來設(shè)計間歇水分配網(wǎng)絡(luò)中的緩沖槽系統(tǒng)。隨后，Ng等人（2007）整合了水回用和廢水處理子網(wǎng)絡(luò)，并利用夾點技術(shù)對該問題進(jìn)行了求解。 在間歇過程生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化研究中，時間的描述方式至關(guān)重要?，F(xiàn)有的研究根據(jù)不同的時間描述方式可分為兩類：一種是離散時間表示法，另一種是連續(xù)時間表示法。Kondili等人(1993)提出了離散時間間隔表示法，該方法把生產(chǎn)周期劃分為若干個等間距的時間間隔，并假設(shè)在這些時間間隔內(nèi)所有的生產(chǎn)變量保持恒定。然而，該模型中含有大量的二元變量，故求解較為困難。隨后，Ierapetritou和Floudas (1998)提出了基于連續(xù)時間表示法的模型。該模型通過引入事件點的概念將操作和設(shè)備拆開來分別考慮。該模型不僅簡明地解決了平行操作和備用單元的問題，克服了操作不具有彈性的缺點，而且也有效地減少了變量的數(shù)目。 在以上研究中，間歇過程生產(chǎn)調(diào)度、水回用和廢水處理子系統(tǒng)都是分別研究的，缺乏系統(tǒng)性。Cheng和Chang（2007）首先將上述三者同時整合到一個模型中來實現(xiàn)整廠的單雜質(zhì)水網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化。但是該研究中采用了離散時間表示法來優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度。此外，文中的互聯(lián)式超級結(jié)構(gòu)不具有完備性，而且沒有反映操作與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系。最后，該研究對所建立的模型沒有提出有效的算法，因而無法保證結(jié)果的優(yōu)越性。 本研究解決了間歇過程超級結(jié)構(gòu)完備性的難點并確立了狀態(tài)空間超級結(jié)構(gòu)。同時，本文建立了評價網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的模型并采用了確定型與隨機(jī)型相結(jié)合的求解策略，從而在真正意義上實現(xiàn)了生產(chǎn)調(diào)度于水分配網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計。
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