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基于传质浓度差的多组分质量交换网络同步优化策略与应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在化工产业中，质量交换网络（MassExchangeNetwork，MEN）作为过程集成系统的关键组成部分，对于提高资源利用效率、降低生产成本以及减少环境污染起着至关重要的作用。随着全球对可持续发展的关注度不断提升，化工企业面临着日益严格的环保法规和成本压力，如何优化质量交换网络以实现节能减排和可持续发展成为了研究的热点问题。

质量交换网络的核心目标是通过将富含杂质的富流股与能够接受杂质的贫流股进行直接逆流接触，在满足质量平衡、环境限制和费用最小等约束条件下，实现杂质从富流股向贫流股的选择性转移。这种网络结构能够有效提高资源的回收利用率，减少废弃物的排放，从而降低对环境的负面影响。在石油化工、制药、食品等众多行业中，质量交换网络被广泛应用于分离、提纯、回收等工艺过程，对于提高产品质量、降低能耗和减少污染物排放具有显著效果。

传统的质量交换网络设计和优化方法往往将传质浓度差视为固定值，这种假设在实际工程中可能导致网络性能无法达到最优。传质浓度差作为影响传质推动力的关键因素，直接决定了传质速率和设备的传质效率。不同的传质浓度差取值会对操作费用和设备投资费用产生显著影响。若传质浓度差过小，虽然可以降低设备投资费用，但会导致传质速率缓慢，需要更多的传质单元和更长的操作时间，从而增加操作费用；反之，若传质浓度差过大，虽然可以提高传质速率，但会增加设备的负荷和投资成本。因此，基于传质浓度差的同步优化对于提高质量交换网络的性能和降低成本具有关键作用。

通过同步优化传质浓度差和质量交换网络结构，可以实现操作费用和设备投资费用的最佳平衡，从而获得年度总费用最小的最优网络结构。这种优化方法能够充分考虑实际工程中的各种因素，如物料特性、工艺要求、设备性能等，使质量交换网络的设计更加符合实际生产需求。同时，基于传质浓度差的同步优化还有助于提高资源的利用效率，进一步减少废弃物的排放，推动化工产业向绿色、可持续的方向发展。

在当前全球倡导节能减排和可持续发展的背景下，研究基于传质浓度差同步优化多组分质量交换网络具有重要的现实意义和应用价值。这不仅有助于化工企业降低生产成本、提高市场竞争力，还能够为环境保护做出积极贡献，推动整个化工行业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

质量交换网络综合的研究最早可追溯到1989年，El-Halwagi等学者在Linnhoff等提出的换热网络思想基础上，发现质量交换网络和换热网络在系统水平上具有极大的相似性，进而将换热网络的夹点设计方法应用于质量交换网络，利用质量分离剂作为贫流股除去过程流股（富流股）中的污染物，以满足系统和环境要求，这一开创性的工作为质量交换网络的研究奠定了基础。

随后，Hallale等学者在此基础上进一步深入研究。他们首先依据各个贫流股的传质浓度区间是否重叠，选择y-x或y-y?组合曲线图绘制浓度间隔表，然后通过计算每一个间隔内的理论板数，建立了同时考虑投资费用和操作费用的质量交换网络。此外，他们还细致地研究了传质浓度差的变化对投资费用、操作费用以及总费用的影响，为质量交换网络的优化提供了更全面的视角。

Bagajewicz等学者将状态空间法应用于质量交换网络，他们把网络分解为交互式的分配网络和过程算子。在分配网络中，从过程算子循环回来的流股被分割成若干个子流股，每个子流股可以与任意的贫富流股混合形成新的过程流股，这些流股在过程算子中逆流直接接触进行质量传递，通过优化分配网络和过程算子来实现网络效率的优化设计。该方法能够综合考虑操作费用和投资费用，对于复杂的质量交换网络也能有效解决，但它只考虑了有限次的分割和混合，只能优化有限的匹配结构，全局寻优能力有待进一步加强。

Yee等学者建立了换热网络的超结构模型，极大地推动了换热网络同步优化的发展。鉴于质量交换网络和换热网络之间的相似性，Chen等学者将超结构方法引入到质量网络优化中，建立了混合整数非线性规划模型。此方法不依赖于夹点技术，能够实现操作费用和投资费用的同步优化，同时超结构中级数的设定在一定程度上保证了优化过程中结构匹配的多样性，因此能够得到年综合费用更优的质量交换网络结构。然而，结构化模型由于其固定的结构排列方式，无法表达所有可能的最优结构，并且固定的初始匹配结构也限制了后期网络的优化方向。

Azeez等学者提出了新的优化换热网络和质量网络的超结构模型，分别使用不同的工艺参数组合定义，虽然同属于混合整数非线性规划问题，但该模型有利于减少非线性因素，目标函数均是实现年综合目标最小化。为了进一步改善现有模型的不足，众多学者不断努力构建新的模型。例如，陆贞等根据换热网络迭代计算的过程提出了棋盘模型，提高了计算效率。韩新宇等