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废物最小化为目标的质量集成方法研究

作　者: 薛东峰
导　师: 袁一；姚平经
学　校: 大连理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 清洁生产 生态工业 质量综合利用原则 废物最小化 质量交换网络 质量集成 混合整数非线性规划 超结构模型 自适应模拟退火遗传 算法
分类号: X38
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


日益严重的环境和资源问题已经威胁到人类的生存和社会的发展。作为实施可持续发展战略的最佳模式和技术手段的清洁生产成为广大学者和企业界研究的热点。如何实现清洁生产的问题还未得到很好的解决。本文以废物最小化为目标，对清洁生产重要的支持和实现技术——质量集成进行了研究：从过程系统工程的基本理论出发，首次提出质量综合利用原则，建立了过程废物最小化的集成框架；对废物最小化的定量化方法—质量交换网络综合、质量集成及其方法进行研究，并对质量集成问题建立超结构数学模型，以定量确定过程的废物最小化方案；为求解模型构成的混合整数非线性规划（MINLP）问题有针对性地开发了自适应模拟退火遗传算法（ASAGA），从而为定量化确定废物最小化最优操作方案提供了有效的工具。上述工作的具体开展为： 1．建立了过程废物最小化集成框架：现有的研究主要集中于策略研究和定性化方法，对过程废物的实质和演变缺乏认识，未能给出可操作的废物最小化方案。本文总结了过程物料在使用中的演变及废物产生过程，借鉴总能系统概念，首次提出了过程质量（物料）综合利用原则，以此作为废物最小化集成框架的基础；以工艺闭路循环思想为核心，结合现有的定性化方法和定量化方法，建立了过程废物最小化的集成框架；对废物最小化的经济性进行分析，指出它与传统工艺的差别和优越性；将质量和能量综合利用原则应用于乙烯装置急冷系统的实际工程改造，确定优化的过程改造方案，体现了所提出策略对工程实践的指导作用。 2．质量交换网络（MEN）综合是有效的废物最小化定量研究方法，国外对质量交换网络综合问题进行了许多研究工作，而在国内目前还鲜见报道。本文在国内较早对质量交换网络综合问题进行了系统研究，详细阐释了质量交换网络的定义、基本概念和研究进展，以推动国内清洁生产技术的发展；着重描述了重要的可视化工具，对质量交换网络综合方法进行了评述和分析；最后，对各种综合方法进行比较，指出目标设定法和数学规划法相结合的方法是最为可行的MEN综合方法，并进行了探讨。 3．对过程进行优化综合，存在路线和单元的选择，与相应的参数交织在一起，很自然地就形成了混合整数非线性规划问题。本文针对过程流程优 大连理工大学博士学位论文化综合问题的MINLP特性，分析了现有MINLP超结构建模的策略和求解方法：在分析过程的单元选择、过程截断和循环操作等超结构数学模型基础上，对过程的质量集成进行超结构建模研究；对比末端治理、过程中间处理和质量集成方案，探讨三者的差别，阐明了质量集成对提高过程效率的重要意义。 4．过程综合问题通常表现为非凸、非线性和多峰的复杂组合优化问题，而现有的算法很难求得这类MINLP 问题的全局最优解。传统的模拟退火在全局优化能力与速度方面，以及遗传算法在局部搜索能力方面的不足限制了它们的应用．本文在概述遗传算法和模拟退火算法的基本特征和改进研究工作的基础上，分析了现有模拟退火方法结构上的弱点，采取新的结合方式将擅长全局优化的邀传算法嵌入到模拟退火算法中，以强化其内层结构优化，同时为保证算法的性能并提高算法的计算效率，采用了自适应调整遗传算法’的交叉和变异概串以及自适应调整模拟退火步长的策略，形成了自适应模拟退火遗传算法：经过一系列综合测试实例证实，ASAGA算法能较好地处理非线性约束优化问题；在适当处理整数变量后，ASAGA算法可将MINLP转”化为NLP问口加以求解，对典型过程综合MINLP问题的试算说明该算法能够有效求解过程综合MINLP问题。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-11
第一章 导论  11-21
  1．1 清洁生产  12-13
  1．2 生态工业  13
  1．3 过程综合  13-15
  1．4 清洁生产、生态工业与过程集成  15-16
  1．5 质量交换网络综合与质量集成  16
  1．6 论文的研究思路与整体结构  16-19
  1．7 参考文献  19-21
第二章 化工过程度物最小化集成框架的建立  21-49
  2．1 废物最小化的研究  21-25
    2．1．1 废物最小化的定义与动机  21
    2．1．2 废物最小化的研究现状  21-25
  2．2 废物最小化的集成框架的建立  25-35
    2．2．1 物料综合利用原则  25-28
    2．2．2 工艺闭路循环思想  28-29
    2．2．3 过程工艺闭路循环的步骤  29-30
    2．2．4 废物最小化的集成策略  30-33
    2．2．5 实例研究  33-35
  2．3 造纸工业废物最小化研究  35-39
    2．3．1 负流程图的绘制  35-36
    2．3．2 废物处理的分析  36-38
    2．3．3 KP法纸浆过程的废物最小化方案  38-39
  2．4 废物最小化的经济性分析  39-40
  2．5 乙烯急冷系统的工程改造实例  40-46
    2．5．1 急冷系统的问题与分析  40-41
    2．5．2 汽油分馏塔DA101的优化改造  41-44
    2．5．3 两种排污水的质量和能量的综合利用  44-46
  2．6 小结  46
  2．7 参考文献  46-49
第三章 质量交换网络综合的研究  49-73
  3．1 质量交换网络综合的研究进展  49-51
  3．2 质量交换网络综合的研究内容  51-61
    3．2．1 质量交换网络综合的定义及基本概念  51-53
    3．2．2 质量交换网络和换热网络的异同  53
    3．2．3 质量交换的热力学可行性探讨  53-54
    3．2．4 实用可视化工具  54-59
    3．2．5 重要的质量交换网络  59-61
  3．3 质量交换网络综合方法简述  61-64
    3．3．1 状态空间法  62-63
    3．3．2 区间分析法  63
    3．3．3 过程图法  63-64
  3．4 质量交换网络综合实例  64-67
    3．4．1 问题描述  64-65
    3．4．2 热力学可行性分析  65-66
    3．4．3 产生质量交换网络  66-67
  3．5 质量交换网络综合方法的比较  67-70
    3．5．1 夹点方法与数学规划方法的比较  67-69
    3．5．2 不同方法对铜回收实例的求解比较  69-70
  3．6 小结与展望  70
  3．7 参考文献  70-73
第四章 过程质量集成的超结构建模研究  73-101
  4．1 企业废物最小化方案的选择  73-74
  4．2 化工过程的MINLP问题  74-77
    4．2．1 过程综合问题  74-75
    4．2．2 过程的超结构表示  75-76
    4．2．3 超结构数学建模  76-77
    4．2．4 求解数学模型的算法  77
  4．3 过程超结构的建模策略和MINLP算法  77-82
    4．3．1 废物最小化的流程综合方法  77-78
    4．3．2 化工过程MINLP超结构的建模策略  78-79
    4．3．3 MINLP算法  79-82
  4．4 质量集成的模型建立  82-90
    4．4．1 问题表达  82-83
    4．4．2 模型变量的选取和约束的确定  83-84
    4．4．3 超结构的数学模型建立  84-88
    4．4．4 MINLP问题备选方案的筛选  88
    4．4．5 WINs的最小操作费用MINLP优选模型  88-90
  4．5 氯乙烷案例的MINLP建模研究  90-98
    4．5．1 氯乙醇废物末端处理最优方案  92-93
    4．5．2 氯乙醇废物截断网络的超结构MINLP模型  93-95
    4．5．3 氯乙醇的质量集成超结构MINLP模型  95-98
    4．5．4 不同方案的比较  98
  4．6 小结  98-99
  4．7 参考文献  99-101
第五章 求解过程综合MINLP问题的自适应模拟退火遗传算法研究  101-137
  5．1 遗传算法和模拟退火算法  101-117
    5．1．1 遗传算法  101-113
      5．1．1．1 遗传算法的基本操作与步骤  102-105
      5．1．1．2 算法改进的研究工作  105-109
      5．1．1．3 评价遗传算法的常用方法  109-110
      5．1．1．4 遗传算法用于约束优化问题的技术问题  110-113
    5．1．2 模拟退火算法  113-116
      5．1．2．1 模拟退火算法的思想和基本过程  113-114
      5．1．2．2 算法实现中的若干技术问题  114-116
      5．1．2．3 模拟退火算法的改进  116
    5．1．3 遗传算法和模拟退火算法的关系和比较  116-117
  5．2 自适应模拟退火遗传算法的开发  117-133
    5．2．1 算法的总体构思  117-122
      5．2．1．1 算法流程结构的构思  117-118
      5．2．1．2 算法性能保证的构思  118-120
      5．2．1．3 提高算法计算效率的构思  120-121
      5．2．1．4 处理混合整数非线性规划问题的考虑  121-122
    5．2．2 自适应模拟退火遗传算法的构造  122-124
      5．2．2．1 遗传算法的编码表示  122
      5．2．2．2 遗传选择算子的设计  122
      5．2．2．3 遗传算法中交叉和变异算子的设计  122-123
      5．2．2．4 模拟退火算法的温降函数  123
      5．2．2．5 模拟退火算法的步长调整  123
      5．2．2．6 算法的终止规则  123
      5．2．2．7 约束条件的处理  123-124
    5．2．3 ASAGA算法的基本步骤  124
    5．2．4 ASAGA算法的计算框图  124-126
    5．2．5 ASAGA算法的性能测试  126-130
    5．2．6 ASAGA算法求解过程综合MINLP例题  130-132
    5．2．7 算法性能的讨论分析  132-133
  5．3 ASAGA算法求解氯乙醇MINLP模型  133-134
  5．4 小结  134
  5．5 参考文献  134-137
第六章 结论与展望  137-140
  6．1 结论  137-138
  6．2 展望  138-140
致谢  140-141
个人情况  141-142

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境保护管理 > 环境与清洁生产（无污染技术）
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