【摘 要】
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化工过程设计及控制是两个重要问题,将设计和控制集成到一个优化框架中具有重要意义,这种集成设计方法依赖于控制性能是过程固有属性这一事实。变压精馏（PSD）与萃取精馏（ED）是工业上非理想混合物的主要分离方法。在ED过程中,使用离子液体替代有机溶剂能避免其带来的环境与安全问题。目前PSD和ED过程合成采用传统设计程序,控制因素在过程设计后考量,没有研究在设计优化阶段考察过程控制性能。本文通过计算年总费
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化工过程设计及控制是两个重要问题,将设计和控制集成到一个优化框架中具有重要意义,这种集成设计方法依赖于控制性能是过程固有属性这一事实。变压精馏（PSD）与萃取精馏（ED）是工业上非理想混合物的主要分离方法。在ED过程中,使用离子液体替代有机溶剂能避免其带来的环境与安全问题。目前PSD和ED过程合成采用传统设计程序,控制因素在过程设计后考量,没有研究在设计优化阶段考察过程控制性能。本文通过计算年总费用（TAC）和条件数（CN）评估过程设计与控制性能,以TAC和CN组成决策空间优化PSD与ED过程,以集成过程设计与控制。为处理这类优化问题,建立了基于遗传算法的多目标优化策略及相应的Aspen plus和Matlab联合优化平台。以乙醇/四氢呋喃（I）、甲醇/氯仿（II）为对象,对PSD过程进行集成优化。以I和甲醇/乙腈（III）体系为对象,对有机溶剂萃取精馏（OED）过程进行集成优化。以I、II和III体系为对象,对离子液体萃取精馏（ILED）过程进行集成优化。首先基于相图工具进行热力学分析和过程合成。然后采用建立的多目标优化策略优化流程自由设计变量。决策空间中的Pareto前沿给出了设计与控制权衡,即减少过程的费用会同时增加其CN,这为过程设计提供了权衡决策空间。同时评价Pareto前沿上优化设计的能耗和环境影响潜力（EIP）。对Pareto前沿上的费用最佳设计（PT）、费用和CN权衡设计（PO）与CN最佳设计（PC）的分析表明,增大回流比改善PSD、OED和ILED过程的控制性能。但同时增加了设备投资和能耗,增大了费用和EIP。然后进行动态模拟以对比PT和PO设计在进料扰动下的动态性能,结果表明,PO的控制性能更好。考虑到离子液体的热稳定性,设计了ILED流程中离子液体真空操作回收所需的真空系统。与PSD和OED流程相比,ILED流程具有低能耗、环境效益好和经济效益好等显著优势。ILED的蒸汽负荷、EIP和TAC显著降低,考虑真空操作相关费用时,TAC降低减少,真空度越大减少越多,因此评估ILED过程的经济效益有必要考虑真空操作相关费用。ED过程中有机溶剂用量是离子液体用量的数倍,且离子液体有更绿色环保的优势。此外设计了热泵辅助的ILED流程,结果表明,新流程显著节省能耗和TAC。
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