有分流棋盘模型应用于不相容多组分质量交换网络优化

不相容多组分质量交换网络是质量交换网络综合中的难题之一。传统的分级超结构模型在模拟不相容多组分质量交换网络时,需要进行迭代计算,这使得优化过程变得复杂,并且难以兼顾计算效率。因此,本文提出将有分流棋盘模型用于优化不相容多组分质量交换网络问题,并采用基于种群识别策略的强制进化随机游走(RWCE)算法进行求解。有分流棋盘模型简化了模拟时的计算复杂度,且种群识别策略能够解决种群中个体“团聚”现象,从而全面提升了搜索全局最优解的计算效率。焦炉气脱硫算例的验证结果显示:有分流棋盘模型和基于种群识别策略的RWCE算法能够高效地解决不相容多组分质量交换网络问题,并且在优化平均时长和年综合费用方面取得了更为显著的成果。

应用单元活性强化策略的质量交换网络优化

质量交换网络优化后期,存在结构易固化、新单元生成受限的现象,不利于结构变异和全局寻优。因此,文中首先探究了结构固化的成因,并提出单元活性强化策略。在优化过程中,实时监测个体状态,以一定的概率随机抽取一个超过阈值的质量交换器,并将其分化为多个传质单元,以此增强新生单元的活性和个体结构变异能力,提升算法的全局搜索性能。将改进策略应用于废水脱酚和空气除氨2个算例中,所获结构的年综合费用为129 200、336 148美元/a,均优于目前文献最优解。结果表明:单元活性强化策略可以促进结构优选,有效提升算法优化质量。

一种适用于质量交换网络优化的节点非结构模型

质量交换网络(MEN)作为过程集成系统的新兴分支方向,具有提高资源利用效率和降低环境污染的双重效益。目前典型的超结构模型在MEN优化中已经取得了很好的应用,但超结构固定排列方式限制了模型中换热器匹配的灵活性和求解域的扩大。基于此,提出了一种新的有分流节点非结构模型,以节点的形式量化传质单元的匹配方式,实现传质单元在流股上的自由匹配,从而增强了单元匹配的灵活性。同时考虑到实际工程中有分流情况的出现,以分组数和分支数表示传质单元的有分流形式,进一步扩大了模型的求解范围。最后,通过2个实际MEN算例分析计算,验证了有分流节点非结构模型的有效性。

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。

2000年北半球平流层、对流层质量交换的季节变化

用 2 0 0 0年NCEP资料 ,P坐标下Wei公式诊断北半球平流层、对流层交换的季节变化。主要结论 :( 1 )热带西太平洋是物质由对流层向平流层输送的主要通道 ,并有明显的季节性东西移动。由于 2 0 0 0年赤道辐合带偏弱 ,因此秋季通量最大。 ( 2 )中高纬度地区同时存在向上、向下的通量 ,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送。一年中冬春季向下的输送强 ,夏秋季较弱 ,其季节变化与大尺度环流的季节性变化一致。 ( 3)东亚地区存在很强的平流层向下输送 ,且中心位置移动不大。只占北半球 5 6%面积的东亚其年净交换量竟占北半球的 2 9% ,这说明东亚地区的平流层与对流层之间的质量交换对北半球平流层。

夏季亚洲季风区对流层-平流层不可逆质量交换特征分析

基于2005年NCEP/GFS分析资料和拉格朗日粒子扩散模式的"Domain Filling"技术,以气块穿越对流层顶后的滞留时间为标准,诊断分析了夏季亚洲季风区对流层-平流层质量交换,重点讨论了对平流层大气成分收支具有实际意义的不可逆双向质量交换过程,并利用前向(后向)轨迹追踪方法,分析了其4天的"源(汇)"特征.研究结果表明:(1)对流层-平流层质量交换(Troposphere-Stratosphere mass Exchange,STE)的计算对滞留时间阈值的选择具有较强敏感性,大多数的气块在1～2天内可频繁地往返对流层顶.这些瞬时交换事件的考虑与否对穿越对流层顶的质量交换计算的准确性具有重要影响,尤其在中纬度的风暴轴区域.(2)从亚洲季风区对流层-平流层质量净交换纬向平均上看,45°N以南的区域为对流层向平流层的质量输送(Troposphere to Stratosphere massTransport,TST),副热带地区为最强的上升支,而在45°N～55°N的中纬度地区是平流层向对流层质量输送(Stratosphere to Troposphere mass Transport,STT).地理分布上,STT主要分布在青藏高原以北的东亚地区,与亚洲季风区夏季大尺度的槽区相对应.夏季整个亚洲季风区都是TST发生的区域,最大值位于青藏高原东南侧及其附近区域,该区域占亚洲季风区不可逆TST夏季平均总量的46%.(3)对流层-平流层质量交换的"源汇"特征分析表明,STT主要源于100°E以西、50°N以北的高纬地区,向下可以输送到中国东北部及朝鲜半岛北部等中纬度区域.而TST主要来源于中纬度和副热带地区的大气输送,向上穿越对流层顶高度以后,可分别向高纬的极地和热带地区输送,这意味着亚洲季风区夏季的TST水汽输送可能进入"热带管"中,进而可能对全球平流层水汽平衡产生重要影响.

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数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 。

超结构法分步综合热集成的质量交换网络

质量交换网络(MEN)和热交换网络(HEN)之间有较强的交互作用,传统的夹点技术很难考虑两个网络之间的相互作用。针对这一问题,采用基于分级超结构的数学规划法分步综合热集成的MEN。该方法首先分析了连接两个网络的关键参数,将其离散化处理后组合成多个备选方案,然后对每个备选方案采用分步策略。第一步,用超结构法以总年度费用(TAC)最小为目标综合MEN;第二步,从第一步的结果中抽提出HEN综合所需数据,通过求解基于HEN超结构的非线性规划(NLP)模型,得到优化的HEN总年度费用。加和两步中的TAC结果得到该方案下两个网络的总费用,通过比较所有备选方案下的总网络TAC,以总网络TAC最小的方案为最佳方案。与文献中例子比较,表明本方法具有更好的可行性和有效性。

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.

多杂质质量交换网络赤字率方法的改进

质量交换网络的优化对提高资源利用率具有重要意义。针对多杂质质量交换网络赤字率图解法在使用时需多次迭代因而计算复杂的缺点,提出了改进方法。该方法首先将源和阱中各杂质的浓度相乘,然后对乘积进行排序,将排序值定义为综合评价指标R。按照R重新排列源和阱,对所有杂质画出源、阱复合曲线,并转化为杂质赤字率曲线。对氢网络和水网络的实例分析表明:改进后的方法避免了迭代计算,提高了计算效率。

多目标模糊评价遗传算法综合质量交换网络

综合质量交换网络时, 评价指标往往不止一个, 多个指标相互之间往往又是无法比较、相互矛盾的,甚至有的指标只是定性的,无法定量地表示。故尝试应用模糊数学对多目标进行评价,有效地模拟了多目标决策的过程, 过程中规则的变换可反应决策者对不同目标的重要性取向。此外还提出了多目标模糊评价遗传算法(MOGAFR)求解多目标优化问题。数例的求解证明了该法可以得到非劣解集合,并可以对非劣解集中的个体区分出优劣,规则不同, 可以收敛到非劣解集合的不同部分,多目标质量交换网络的综合证明其解决工程问题的有效性。所提出的方法适用于求解其他系统的多目标优化问题。

利用改进的遗传算法进行质量交换网络的最优综合

针对现有质量交换网络综合方法的不足 ,提出用改进的遗传算法进行质量交换网络综合的数学模型 ,该模型以满足操作条件且总年度化费用最小为综合目标 ,在综合过程中同时考虑操作费用和投资费用 .

全球平流层、对流层质量交换的季节变化特征

用1958年到2001年44 a ECMWF资料,P坐标系下Wei公式诊断了全球对流层、平流层交换的季节变化.结果表明:印尼、孟加拉湾以及南美中西海岸附近是物质由对流层向平流层输送的主要通道.中高纬度地区同时存在向上、向下的通量,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送.一年中,秋、冬季向下的输送强,春、夏季较弱.东亚地区存在很强的平流层向下的输送,且中心位置移动不大;只占北半球5.6%面积的东亚,其多年平均质量净交换量却占到北半球的15.83%,这说明东亚地区对流层与平流层之间的质量交换对北半球乃至全球对流层、平流层交换研究的重要性.从1958年到2001年,穿越对流层顶的空气都是更多地从平流层进入对流层,这与同化数据本身存在系统性偏差以及对流层顶高度44a来始终升高有关.南、北半球质量交换量以及质量交换通量对所占纬度带的贡献都是从赤道向两极逐渐增大,且北半球的贡献比南半球要大得多.高纬度地区单位面积上的质量交换量以及质量交换通量比低纬度要大,说明高纬度地区质量交换的效率要比低纬度更高.

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。

MINLP模型及其在石化行业中的应用——Ⅲ.废水网络和质量交换集成网络的MINLP模型的建立

对废水网络、质量交换集成网络的基本概念进行了详细的介绍,分析研究了废水网络和质量交换网络的超结构物理模型和混合整数非线性规划(MINLP)数学模型;以废水排放量最小和焦化气吸收过程的优化设计为实例,进行了应用研究,均得到了令人满意的结果,证明MINLP模型用于废水网络和质量交换集成网络的优化是可行的;并指出了废水网络和质量交换集成网络研究的方向和发展趋势。

取整函数优化基于超结构模型的质量交换网络

质量交换网络(MEN)综合发展至今,已经成为了过程工业中实现污染预防的有效工具。当板式塔作为质量交换器来综合MEN时,得到最优网络结构后,塔板数通常需要向上圆整到最近的整数,这将增大MEN的设备投资费用。在质量交换网络设计中,当设备投资费用增大时,以质量分离剂费用为主的操作费用应减小。然而在传统的优化模型中,尽管在塔板数向上取整后增大了设备投资费用,操作费用依然被认为是定值,因此得到的最低年度总费用是偏大的。为了解决这一问题,本工作在目标函数中加入了取整函数。将取整函数应用在基于MEN多级超结构的非线性(NLP)模型中,并将修改后的新模型应用于焦炉气的处理的案例中,得到了比其他文献费用更低的质量交换网络。结果表明:取整函数在综合MEN时,能够解决由于对塔板数取整而造成的最优MEN结构的最小年度总费用偏大的问题,并且能够获得更加准确,费用更低的质量交换网络。

NCEP／NCAR再分析资料中南北半球大气质量交换的特征研究

用1948～2000年共53年的NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北半球大气质量交换的周期变化特征和两半球大气质量交换通道的空间分布。结果表明:两半球的大气质量交换从长时间来看基本上是平衡的。两半球质量交换的季节变化表现为明显的半年周期,冬季和夏季的交换比较显著,且以夏季为主;具有显著的十年际变化;年际变化特征总体来看不显著,只在1980年代～1990年代存在较为显著的2～5年的年际振荡。NCEP资料存在较大变更的三个时段(以1968、1979年为分界)的周期变化特征确实存在一定的差异。全球平均异常向南的越赤道质量输送不存在很强的季节依赖性,主要由低空北半球太平洋-大西洋副热带高压南侧东北信风和亚洲季风区对流层高层副热带高压南侧的越赤道东北气流决定,亚洲季风区冬季南下的冷空气也起到很大的作用;而异常向北的越赤道质量净输送则主要发生在夏季,主要由亚洲季风区越赤道西南季风决定,特别是索马里越赤道急流从对流层低层到高层整层的向北输送,同时对流层低层赤道中东太平洋-大西洋信风区的东南信风也有较大的贡献。

质量交换规律和以质遂愿规范

人类的一切思想行为都是受“具有时代特点”的基本思想和习惯支配的。无论是提高产品质量还是提高工作质量和生活质量，都逃脱不了意识和习惯的支配。这种意识是总结出来的、科学的做人标准和行为规范。在人类感到迷茫时。就会渴望新的具有时代气息的行为质量总方针和总目标的形成和出现。

论质量交换规律和以质遂愿规范

质量是可以周转、积累的财富和资源。在人类社会和自然界中存在质量交换规律。质量交换规律与价值规律一样是支配人类活动的基本规则之一。人类的最明智的选择是“以质遂愿”——以提高行为质量的方式实现合理需求,得到较好满足的意愿。“以质遂愿”规范是具有现代气息的纲领性的道德规范。顺应质量交换规律、遵守以质遂愿规范构成了新的质量行为理念和世界观。对于促进“质量伦理学”的成长和发展具有积极意义。

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。