多流股换热器设计及网络优化同步综合

摘要

近年来，多流股换热器以其结构紧凑、高效低耗等特点，成为过程强化研究的热门课题。然而，尽管它早已广泛应用于低温工业领域，但有关其设备及网络的研究仍然较少，且现有研究工作也并未完善。基于该现状，以多流股换热器为对象，展开设备设计与网络优化同步综合工作。
　　首先，以其独特换热形式为着手点，建立多流股同步换热热耦合模型，并通过流股能量匹配，揭示其换热原理，以及它与常规双流股换热的拓扑关系。同时，引入状态空间(State Space，SS)超级结构，并将多流股换热器热耦合模型作为过程操作算子，纳入到过程操作(Process Operator，PO)网络中，从而建立多流股换热器网络综合方法。
　　其次，考虑到多流股换热器工业应用背景，将环境因素与保温材料项纳入到多流股换热器设备设计中。通过系统预分析，提出平板式模型假设，构建多流股换热器集总模型;并结合SS超级网络，构造出得以量化环境影响与保温材料封包效果的系统预分析框架。
　　接着，从流股层面对多流股换热器模型进行改进，详细量化环境因素对过程流股的影响，及保温材料封包效应，摆脱集总模型的笼统计算。提出多流股换热器流道分布规则，从而得到更为详细合理的设备设计策略，并将其作为新的过程操作算子。同时，改进SS超级结构，对过程单元有序编号，去除循环回路冗余连接，将此无序网络改造成更适用于换热问题的有序超级结构，进而建立起环境作用下的多流股换热器设备设计与网络优化同步综合框架。
　　最后，对等温相变过程进行分析，以相变率及绝对焓替代温度，提出识别过程流股状态的新判据。通过适当数学约束，建立起对等温相变处理的新方法，并结合改进的有序超级结构，提出包含等温相变过程的多流股换热器设计与网络综合策略。
　　此外，在模型求解策略上，以连续变量替代二元变量，通过互补性约束等处理手段，将混合整数非线性规划转化为单纯的非线性问题，避免混合整数与强非线性的复杂耦合，有效降低模型复杂度以及求解难度。同时，使用目前最为完善的确定性算法CONOPT，作为非线性问题的模型求解器，结合随机扰动赋初值和多次迭代反复求解的策略，经局部最优解筛选，捕捉全局最优网络。
　　最终，通过实际算例对所提设计策略与综合方法可行性与优越性进行验证。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 多流股换热器

1．1．1 多流股换热器概述

1．1．2 多流股换热器设备研究现状

1．1．3 多流股换热器与过程集成

1．2 换热网络综合

1．2．1 基于“夹点技术”的启发性方法

1．2．3 数学规划法

1．2．4 人工智能算法

1．3 本文研究思路与主要内容

2 多流股换热器热耦合模型及网络综合

2．1 多流股换热器热耦合模型

2．2 状态空间(SS)结构与换热网络框架

2．3 算例研究

2．3．1 算例1

2．3．2 算例2

2．4 本章小结

3 环境效应与系统预分析

3．1 环境问题提出与描述

3．2 平板式模型假设

3．3 保温材料封包效应

3．4 预分析算例3

3．5 本章小结

4 设备设计与网络优化同步综合

4．1 换热模型与超级结构改进

4．1．1 环境参与下的多流股换热匹配

4．1．2 多流股布局策略

4．1．3 换热网络有序超级结构

4．2 算例研究

4．2．1 高温系统算例4

4．2．2 低温系统算例5

4．3 等温相变过程

4．3．1 等温相变过程模型

4．3．2 等温相变算例6

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢