基于遗传规划的醇—水共沸物系精馏—膜分离集成工艺优化研究

论文摘要

共沸物系分离是化工生产的难点,因此对其进行节能新型分离工艺的研究具有重要意义。近年来,随着渗透蒸发膜分离技术迅速发展,精馏-膜分离集成过程凸显优势。本文建立了一套基于遗传规划的精馏-膜分离集成过程综合求解策略,可以根据某种共沸物特点和渗透蒸发膜类型,快速准确求解出最优精馏-膜分离集成工艺流程,同时确定流程中最优设备参数和操作参数。运用该综合求解策略,对具有工业实用性的异丙醇-水和叔丁醇-水两个共沸物系分离进行实例研究。本文构建了基于遗传规划的综合解算策略,首先建立化工专业知识库,以此对算法代码生成及进化操作加以符合化工专业要求的有效指导。综合求解策略包括:化工节点模型库建立、树状代码生成规则、初始种群生成原则、个体适应度计算、进化操作和终止准则设定。求解过程中,精馏-膜分离集成工艺流程中的结构变量和操作变量同时参与优化。运用上述解算策略,在无需确定流程超结构的前提下,根据分离要求匹配合理可行的渗透蒸发膜后,可以快速准确求解出共沸物系的精馏-膜分离最优集成工艺流程,并求得最优设备和操作参数。本文运用提出的综合求解策略,进行工业实例研究。选择亲水性PERVAP2510膜,分别对异丙醇-水和叔丁醇-水两个物系的多种不同进料流量和进料组成进行计算,分别搜索得到其对应的最优集成分离流程,同时计算出最优设备及操作参数。对于异丙醇-水共沸物系分离,计算结果表明:在进料流量较小且进料中水含量较大时,算法搜索到的最优集成流程为精馏-膜分离集成过程;在进料流量较大且进料中水含量较小时,算法搜索到的最优集成流程为精馏-膜分离-精馏集成过程;对于叔丁醇-水共沸物系分离的各种进料流量和各种进料组成下,算法搜索到的最优集成流程均为精馏-膜分离-精馏集成过程。同时进行了上述各种结构的费用变化分析。上述结果完全符合化工生产实际要求。本文提出的基于遗传规划的精馏-膜分离集成过程综合求解策略,可以应用于化工生产中的其他共沸物系分离的集成设计和计算,为同类问题求解提供可靠的理论依据。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 前言
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 醇-水共沸物系精馏工艺研究进展
•     1.2.1 恒沸精馏
•     1.2.2 萃取精馏
•     1.2.3 盐析分离
•   1.3 膜分离技术研究进展
•     1.3.1 膜分离机理模型
•     1.3.2 膜材料及其分类
•   1.4 精馏-膜分离技术集成工艺理论研究进展
•   1.5 精馏-膜分离集成工艺实验研究及工业应用
•     1.5.1 膜分离实验研究
•     1.5.2 精馏-膜分离集成工艺的工业应用
•   1.6 随机优化类算法
•     1.6.1 遗传算法
•     1.6.2 遗传规划算法
•     1.6.3 微粒群优化算法
•     1.6.4 蚁群算法
•   1.7 本课题研究内容和意义
•     1.7.1 研究内容
•     1.7.2 研究意义
• 2 遗传规划算法
•   2.1 遗传规划的特性与研究对象
•     2.1.1 遗传规划的特性
•     2.1.2 遗传规划的研究对象
•   2.2 遗传规划的操作
•     2.2.1 编码
•     2.2.2 生成初始种群
•     2.2.3 个体的评价：适应度的计算
•     2.2.4 遗传规划中的进化因子
•   2.3 终止准则
•   2.4 小结
• 3 基于遗传规划的精馏-膜分离集成过程综合求解策略
•   3.1 建立化工节点模型库
•     3.1.1 定义精馏塔节点
•     3.1.2 定义膜分离节点
•   3.2 树状结构的生成
•     3.2.1 根节点的确定与树状结构的生长
•     3.2.2 树状结构的终止条件
•   3.3 初始种群的生成
•   3.4 计算个体适应度
•   3.5 进化操作
•     3.5.1 复制操作
•     3.5.2 交换操作
•     3.5.3 变异操作
•   3.6 终止准则
•   3.7 小结
• 4 精馏-膜分离集成过程设计计算
•   4.1 精馏塔
•     4.1.1 精馏设计计算
•     4.1.2 精馏塔费用计算
•   4.2 膜分离
•     4.2.1 膜材料的选择
•     4.2.2 膜分离设计计算
•     4.2.3 膜分离单元费用模型
•   4.3 附属设备费用计算
•     4.3.1 换热器费用计算
•     4.3.2 压缩机费用计算
•     4.3.3 泵费用计算
•   4.4 小结
• 5 工业实例研究
•   5.1 改进综合求解策略
•     5.1.1 节点特征属性的再定义
•     5.1.2 优化树状结构生成规则
•     5.1.3 给出树状结构的具体终止条件
•     5.1.4 生成初始种群
•     5.1.5 进化操作的改进
•   5.2 异丙醇-水共沸物系精馏-膜分离集成过程优化结果分析
•   5.3 叔丁醇-水共沸物系精馏-膜分离集成过程优化结果分析
•   5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张远鹏

导师: 王晓红

关键词: 醇水共沸物系分离,遗传规划,精馏膜分离,集成过程,优化

来源: 青岛科技大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 无机化工,有机化工,工业通用技术及设备

单位: 青岛科技大学

分类号: TQ028.8

总页数: 84

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