通过顺序与同步优化策略实现工业四塔甲醇蒸馏过程强化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Process intensification of industrial four-column methanol distillation via sequential and simultaneous optimization strategies

　　

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  针对工业四塔甲醇精馏提出了双路线优化框架。
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  顺序优化通过热泵集成与热回收实现了HP-HEN设计。
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  同步优化通过将塔参数与热匹配耦合实现了MED-HEN设计。
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  HP-HEN将TAC、TEC、ACE和?损失分别降低了26.9%、44.2%、53.3%和53.0%。
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  MED-HEN将TAC、TEC、ACE和?损失分别降低了35.6%、50.5%、50.5%和53.3%。

引言

甲醇作为现代化工行业的基础大宗原料，在烯烃、甲醛和清洁燃料的生产中发挥着关键作用[1]。随着全球年产能超过1亿吨，与其纯化过程（主要通过精馏实现）相关的能耗巨大[2]。传统上，工业甲醇精制过程依赖多塔精馏配置。虽然这些工艺在技术上已经成熟，但本质上能耗高且热力学效率低[3]，对工业碳排放贡献显著。在全球碳中和目标的背景下，此类大规模大宗生产中的边际效率改进即可转化为可观的经济和环境效益[4]。因此，通过过程强化技术提升既有工艺性能仍是重要的研究方向。

精馏系统的过程强化主要通过两个方面实现：工艺参数优化和热集成（HI）设计。参数优化通常将塔板数、进料位置、回流比等变量作为决策变量，通过逐步调整[5]、[6]或基于算法的优化[7]、[8]确定其有利组合。HI通过热能级联利用进一步降低能耗，常用方法包括热泵（HP）精馏[9]和多重蒸馏[10]。

本研究的目的：根据参数优化和HI设计的实施方式，区分顺序优化和同步优化。当参数优化和HI设计分阶段进行时，称为顺序优化；当HI设计与参数优化嵌入同一优化循环时，称为同步优化。在实践中，顺序优化策略通常以两种形式实施。一种是先优化原流程的工艺参数，再引入HI结构，如文献[11]、[12]所述。另一种是先引入HI结构，再优化相应的工艺参数，如文献[13]、[14]所示。尽管实施顺序不同，但两种方法均遵循分步设计逻辑，因此均可视为顺序优化策略。由于其分解清晰、模型相对简单，此类策略在过程优化中仍被广泛采用。然而，由于参数优化和HI设计分阶段进行，两者之间的相互作用可能无法被充分捕捉，从而限制了系统级性能的实现[15]。

相比之下，同步优化采用集成设计框架，在同一优化循环中同时执行参数优化和HI设计。通过将结构决策直接嵌入优化框架，该策略能够更好地捕捉操作条件与结构变量之间的相互作用，从而实现对解空间的更全面探索。该方法对于具有强非线性和耦合特性的复杂分离系统已显示出良好的潜力。例如，Zhang等[16]同步优化了精馏序列和HI结构，实现了年化总成本（TAC）降低超过17%。Jin等[17]和Zhang等[18]将HI结构和工艺参数纳入差分进化框架，并验证了所提策略的有效性。其他集成优化研究也报道了类似的改进[19]、[20]。

近期对粗甲醇精馏的研究主要集中在针对三塔、四塔或五塔工艺的多重和热泵辅助系统等强化配置[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。这些研究表明，随着先进优化方法和强化技术的发展，节能性能逐步提升。然而，关于工业四塔甲醇精馏过程的系统研究仍然有限，特别是在过程强化中同步优化的应用方面[28]。此外，通过不同优化路线开发的强化方案的工艺特性和性能效果尚未从全面的4E（能源、?、经济、环境）评估角度得到充分阐明。从工业改造的角度来看，顺序优化和同步优化代表了两种不同的工艺改进路线。顺序路线更接近现有装置的逐步改造，而同步路线则强调操作参数与热集成结构之间的更强耦合。阐明这些路线之间的差异有助于识别在不同经济、节能、减碳和热力学优先级下适合的改造路径。

鉴于此，本研究以企业提供的现有工业四塔甲醇精馏过程为研究对象，应用顺序优化和同步优化策略开发强化工艺方案。四塔分别为预精馏塔、主产品塔I、主产品塔II和回收塔，根据企业提供的工业甲醇精馏顺序分别标记为T1、T2、T3和T4。由于本研究专注于给定四塔配置的优化，因此保持该顺序不变。在顺序路线中，首先优化基准精馏过程，然后逐步集成热泵辅助精馏和热回收布置。在同步路线中，在集成优化框架内同时考虑参数优化和HI设计，以开发塔间多重热集成强化方案。随后，从4E角度对所得方案进行评估，以阐明其工艺特性和性能效果，为工业甲醇精馏过程的低碳设计提供优化参考，并为现有工业装置选择适当的改造策略提供实际指导。

章节摘要

方法

本研究的方法包括四个主要部分：4E性能评估、MATLAB-Aspen Plus联合模拟、基于NSGA-II的多目标优化，以及通过顺序或同步优化路线进行的过程强化。使用Aspen Plus建立和求解工业四塔甲醇精馏过程的严格稳态模型，而MATLAB用于决策变量生成、优化执行、数据交换和约束检查。

Pareto前沿和TOPSIS决策

顺序和同步策略的优化程序均进行了600代，种群规模为60，在一台配备AMD Ryzen 9 7940HX CPU（2.40  GHz）和NVIDIA GeForce RTX 4060 Laptop GPU的笔记本电脑上运行。顺序和同步策略的总计算时间分别约为350  小时和430  小时，各代详细时间汇总在表S11中。

优化后，Pareto

结论

本研究为工业四塔甲醇精馏过程的节能和碳排放减排改造开发了一种双策略优化框架。通过集成MATLAB-Aspen Plus联合模拟与NSGA-Ⅱ，应用了顺序优化和同步优化策略，以TAC和ACE为目标函数。顺序路线通过热泵辅助强化和热回收生成了HP-HEN方案，而同步路线

符号说明

缩略语

NSGA-Ⅱ
非支配排序遗传算法Ⅱ
TCC
总投资成本
TOC
总操作成本
TAC
年化总成本
HP
热泵
HI
热集成
ACE
年碳排放量
TEC
总能耗
T-H
温度-焓
HEN
换热网络
TOPSIS
与理想解的相似度排序法
MVR
机械蒸汽再压缩
PR
压力比
COP
性能系数
MED
多重蒸馏
HP-Basic
由顺序优化策略生成的基准工艺

CRediT作者贡献声明

Chen Jie：可视化、方法论、正式分析、数据整理。Zhou Xikuan：撰写-原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。Li Xiaoliang：验证、资源、调查。Yang Xia：撰写-审阅与编辑、监督、资源、项目管理。Sui Kaiqing：可视化、正式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系竞争。

致谢

作者感谢"卓越工程师教育和培训项目"的支持，该项目促进了校企之间的合作。特别感谢万华化学集团提供的宝贵实践机会和授权的Aspen软件访问权限。

Zhou Xikuan|Chen Jie|Sui Kaiqing|Yang Xia|Li Xiaoliang