A heuristic design method for batch water-using networks of multiple contaminants with regeneration unit

This work develops a heuristic method for the design of batch water-using networks of multiple contaminants with regeneration unit based on the concepts of concentration potential. A water-using network involving regeneration unit can be formed by adding the regenerated stream(s) into the network involving reuse only. In the design procedure of the network operated in a single batch mode, time is take n as the primary factor a nd con centration potentials as the secondary one. For the networks operated in a repeated mode, the design procedure is similar to that for continuous processes, besides designing the storage tanks with the rules proposed. Continuous regeneration unit is selected in this work. With the proposed method, the network structure corresponding to the minimum freshwater consumption can be obtained. It is shown that the method proposed in this article is simple, effective and has clear engineering meaning.

并联连续再生/再循环的多杂质间歇用水系统优化方法

为了有效地减少多杂质间歇用水系统的新鲜水消耗量和再生处理量,针对多杂质间歇过程用水网络提出连续操作并联再生处理单元水网络结构模型及其优化设计方法。通过在用水网络中设置中间储罐和再生单元以实现对不同水质废水并联分质处理,建立了减少用水系统的新鲜水用量和再生水量以及废水排放量的数学规划模型,采用GAMS软件对一个实例进行求解。计算和分析表明:提出的水网络结构与优化设计方法可有效地解决按水质对废水进行并联处理的间歇用水系统,使系统的新鲜水用量和再生水流率同时达到最小。

基于线性规划的单杂质间歇过程用水最小化

对间歇化工过程的单杂质用水网络提出了以新鲜水量最小为目标的优化设计方法。该方法对间歇过程的每个操作假定为一个操作接一个储罐,对所有操作按出口浓度从小到大排序,避免了高浓度水回用到低浓度水的操作中,去掉了用水网络中多余的连接,构造了用水网络超结构。该超结构可以表述为一个线性规划模型。通过GAMS求解该模型得出每个操作周期的最小新鲜水量,并通过证明得出该最小用水量随操作周期增加最终不再变化。该方法可以用作有、无中间储罐间歇过程用水网络综合,实例计算结果表明该方法是可行的,与其他方法相比更简单。

单杂质间歇过程用水网络优化

对间歇化工过程用水网络优化提出了基于非线性规划的优化设计方法。该方法采用一个中间贮罐用来接收各单元操作的排水,增加各单元操作之间的水再利用机会。对所有单元操作按照排水时间从早到晚进行排序,只有排在前面的操作才提供给后面的操作用水,结合其他的简化规则,构造了用水网络超结构。该超结构的数学模型为一组非线性方程,利用GAMS软件进行求解,得到各个周期的最小新鲜水量和最优的用水网络结构。实例计算结果表明,该方法可行。

多杂质体系间歇过程用水网络优化

对多杂质体系完全间歇过程用水网络优化进行了研究,建立了用水网络超结构和非线性规划数学模型,利用中间储罐跨越时间约束,设置用水过程流量上下限以加速收敛。首先确定关键杂质,并将关键杂质浓度最大的水源直接排往废水,获得简化的用水网络超结构;其次,运用GAMS求解,得到最小新鲜水量、废水量、中间储罐数目及优化的用水网络结构。实例研究证明本文提出的方法可行,并能以较少周期获得优化的网络结构,同时可以减少中间储罐数目。

基于矩阵编码的遗传算法多杂质间歇用水网络优化

针对多杂质间歇用水网络优化设计问题,建立了以新鲜水用量最小为目标的混合整数非线性规划(MINLP)模型,并提出基于矩阵编码的遗传算法和信赖域序列二次规划(trust region sequential quadratic programming,TRSQP)法相结合的求解策略。本文采用矩阵编码方法为时间条件约束提供了方便,从而使用水单元之间水回用关系更加清晰明确;采用基于矩阵编码的遗传算法对整数变量进行优化,采用TRSQP法对连续变量进行优化,集成应用两种方法进行优化求解,从而获得MINLP模型的最优解;并借助MATLAB软件进行编程并实现。利用本文所提出的求解方法和策略对文献中2个典型案例进行求解,求解结果均优于文献数据。实例计算表明,本文所提求解方法是可行的。

城市区域用水网络的集成与优化

针对城市区域用水网络的节水优化问题,建立了半连续间歇用水网络的优化数学模型．以某大学校园的用水网络为实例,通过实验获得了模型中各用水过程的进出口浓度极限数据,并估算了各用水过程的污染物负荷．采用LINGO软件求解了该数学模型,获得了可节约新鲜水约12％的水回用网络．研究表明,所提出的半连续间歇用水网络模型反映了市政区域用水的主要特征,可用于优化城市区域的水回用网络．

单杂质间歇过程总水网络设计

间歇过程水网络集成对于节水减排具有重要意义,总水网络可以最大限度地降低新鲜水消耗和废水排放量。提出了单杂质间歇过程总水网络设计的新方法:多水源法设计用水子网络,中央连续再生单元向用水单元提供稳定的再生水,缓冲储罐连接间歇操作的用水单元与连续操作的再生单元,较高浓度的废水送往再生/处理单元中出口浓度较低者,以使废水再生与处理总量达到最小。文献实例研究结果表明,该方法不仅比文献方法简单,且设计结果优于文献值。

除盐水系统建模与物料衡算分析

新鲜水的工业除盐系统通常涉及膜分离(例如超滤、反渗透等),阴阳离子交换树脂床和储罐等。其中离子交换和膜分离单元可看作单入口双出口的半连续过程单元,具有间歇用水过程的特征。然而,尚未有关于除盐水系统的间歇水网络综合的研究报告。对除盐水系统中双出口半连续单元和水箱分别建立流量衡算、杂质质量衡算模型和储罐模型。根据不同工况下除盐水的需求量,利用GAMS软件平台对建立的数学模型进行求解,得出除盐水系统中每个储罐的容量和对应的新鲜水用量。进一步根据储罐最大容量需求,设计出满足不同工况条件下储罐容量。简化的工业案例研究验证了所提出模型的有效性。

基于截断器半连续操作的间歇过程性质集成

生产过程对水质的要求不仅体现于杂质浓度,还包括毒性、pH、化学需氧量等流股性质,因此仅以杂质浓度作为水源使用及废水排放依据进行用水过程设计无法满足生产要求,有必要在用水网络综合过程中考虑多种性质的同时集成。针对间歇过程性质集成问题,在考虑环境约束的基础上,以最小年度总费用为目标,建立了包含半连续操作性质截断器的用水网络超结构。其中,截断器在不同时间间隔内可以按不同操作速率运行;在截断器前后分别设置缓冲储罐以满足水源水阱的间歇操作要求,允许前置缓冲储罐中的水源不经过截断器直接回用至水阱。算例计算结果表明,本文方法可以有效降低年度总费用,同时减少截断器数量,验证了本文方法的有效性和优越性。

间歇过程生产调度与用水网络同步优化

与分步优化相比,间歇过程生产调度和用水网络同步优化解空间更完备,能更好地权衡生产与用水费用。但两者时空间维度高度耦合导致问题规模组合爆炸式增长,选择恰当的时间表达方式成为控制模型复杂度的关键。首先,为了克服以往单一采用全局连续时间模型复杂度大和特定单元事件点模型解空间丢失的缺陷,提出了混合时间表达方式,即分别用特定单元事件点和非均匀离散时间描述调度模型与用水网络模型,再用辅助约束关联两个时间维度。然后,基于状态任务网络和用水网络超级结构构建混合整数非线性模型(MINLP)并采用分步法(MILP-NLP)和随机扰动相结合的初值策略进行求解。两个算例结果表明:与分步法相比,同步优化大大降低了用水量,且所提方法避免了解空间丢失,有效缩减了模型复杂度。

基于优化BP神经网络的非稳态精馏过程建模

间歇精馏已广泛应用于小批量、高附加值的精细化工和制药行业。然而在非稳态精馏过程中,一些重要的质量参数如产品组成等难以被直接测量,导致常规控制方法效果不佳。为解决这一问题,提出基于BP神经网络的非稳态精馏过程软测量模型,网络结构为3-12-1,再利用遗传算法、麻雀搜索算法等智能优化算法对网络进行优化,使用优化后的BP神经网络对非稳态精馏过程的产品质量进行预测。结果表明:经麻雀搜索算法优化后,BP神经网络的均方误差为4.32×10^(-5),与标准BP神经网络相比降低约59%,与遗传算法优化后的BP神经网络相比降低约26%。因此采用麻雀搜索算法优化后的BP神经网络建立非稳态精馏过程软测量模型,能够实现更高的预测精度。

间歇过程用水网络优化设计方法研究

间歇过程用水网络的研究已经引起了人们的关注,近十年取得了一定的发展。本文对带有非传质及有流率变化的间歇化工用水过程用数学规划法进行优化设计,确定过程的最小新鲜水用量、最小废水排放量以及优化后的用水网络。该方法利用中间储罐来排除时间对水再利用的限制,考虑了用水单元的流率限制,建立用水网络超结构和非线性规划数学模型,利用GAMS求解该模型,得到间歇过程最小新鲜水用量、废水量以及优化后的网络结构。实例计算证明该模型可行、方法简单。

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,本文提出的方法是间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%。

间歇过程多杂质用水网络的超结构模型及求解

增加中间储罐摆脱时间约束,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。