过程工业中尺度与宏尺度集成优化和参数耦联机制研究

Energy intensive process industries are the complex systems with multi-scales characteristics. The previous researches are mostly focused on the mechanism, energy-use evaluation and optimization with a single scale. The relevance of different scales is usually neglected. Therefore, the meso-scale is subdivided into inside and outside the meso-scale based on materials change in this project. The evaluation and optimization methods are investigated for the integration of meso-scale and macro-scale by identifying the key coupling parameters. The project can provide the theoretical and empirical supports for the multi-scales evaluation and optimization of energy utilization in process industries..Our research is divided two parts: (1) Quantitative evaluation and qualitative analysis based on graphic method. The general construction method of advanced energy level composite curve is researched based on the exergy concept. The effects of energy utilization efficiencies on the key coupling parameters are quantitatively investigated with the graphic technology to identify the significant coupled parameters. (2) Quantitative optimization mathematical model. The structure oriented lumping model for coking reaction and energy distribution model for complex fractionator are established respectively. And then, taking the whole economic benefits or thermodynamic efficiency as the objectives, the integrated optimization models and its corresponding solving methods are investigated considering the synergy between material and energy. By means of the attribute transformation of variables and parameters, the operation or design parameters are optimized and key coupling parameters are recognized. The coupling mechanisms of different scales are studied for improving the overall system efficiency.

能量密集型过程工业是具有多尺度特征的复杂系统。以往研究大多集中于单一尺度机理研究、用能评价及优化，较少考虑尺度间关联性。为此本项目先按物料线索将中尺度细分为里中尺度和表中尺度。通过识辨尺度间的关键参数，研究中尺度与宏尺度集成的评价及优化方法，为过程工业多尺度用能评价及优化提供理论和实证支持。.研究从两方面递进展开：（1）基于图形学的评价及定性分析。研究基于（火用）概念的高阶能级组合曲线的一般性构建方法。基于图形学，量化尺度间耦合参数对系统用能效率的影响，辨识关键耦合参数；（2）数学模型定量优化。分别建立焦化反应结构导向集总模型和复杂分馏塔能量分配数学模型。后以整体经济效益或热力学效率为目标，考虑物质及能量的协同作用，建立集成优化模型，并研究相应求解方法。耦合图形方法识别的关键参数，通过变量及参量的属性变换，优化操作或设计参数。从优化关键耦合变量的角度，研究尺度间耦联机制，提升系统总体效率。

随着节能研究深入，单一过程的效率显著提高，但节能潜力锐减。众所周知系统优化并非简单加权。只有充分认识过程间、层次间及尺度间的相互作用关系和规律，才能实现真正意义上的系统优化。在过程系统能量集成中，借助变量耦合研究包含里、表中尺度和子、泛宏尺度在内的跨尺度集成和尺度间作用机制，对提高过程系统能量利用效率以及指导深层次系统节能实践显得尤为重要。本课题先按物料线索将中尺度细分为里中尺度和表中尺度。通过识辨尺度间的关键参数研究中尺度与宏尺度集成的评价及优化方法，为过程工业多尺度用能评价及优化提供理论和实证支持。.其主要成果体现在以下四个方面：.（1）基于高阶㶲分析概念的典型化工流程热力学分析与评价模型及方法。提出新型吸收稳定节能流程，定量指出新流程的节能潜力和用能“瓶颈”，新流程的节㶲潜力为40.73%。同时，对新流程中新增的操作参数进行了灵敏度分析，考察其对热力学效率和高阶㶲分析结果的影响。.（2）基于计算机辅助设计的以离子液体作为溶剂的芳烃抽提过程概念设计、优化与评价。建立了MINLP模型筛选出离子液体[C1mPy][BF4]取代环丁砜。通过UNIFAC模型求解得到物性数据，作为流程模拟的基础数据。离子液体基的新流程可节省31.2%的年度总费用。当离子液体合成价格低于91.03$/kg时，所提流程经济上具有竞争性。.（3）新型节能流程创新及关键参数辨识与分析。提出了新型延迟焦化干法冷焦流程、煤焦化过程荒煤气多级冷却工艺、荒煤气冷却及馏分初步分离工艺和基于热高分工艺的合成气制甲醇产物的分离方法等节能流程。并针对以上流程，进行了流程分析与关键参数辨识研究。可为多尺度集成优化研究筛选关键耦合变量，降低模型求解规模。.（4）制备碱性介质中用于联氨氧化的负载Ag-Ni的泡沫镍多孔催化剂。经过氢气模板化电沉积和随后的电置换反应过程，成功制备了负载了Ag-Ni的泡沫镍电极。在泡沫镍@Ag-Ni中Ag的负载量达到0.0765mg cm-2。微尺度结构和表面成分的优越性使得泡沫镍@Ag-Ni电极具有较强的寿命和电池性能。