以數學規劃法做冷卻水和製程用水網路最適化設計之研究

Abstract

水資源是地球上非常重要的資源之一，而在許多方面，地球人對於水的依賴性也相當高。 在工廠製程方面，作者以工廠用水量超大的兩個部分來做介紹，分別是冷卻水網路與 製程用水網路，因為水在這兩個部分扮演著極為重要的角色。 在傳統型的冷卻水網路設計型態上，熱交換器單元間的管線連接方式是以串聯的方式去設計， 不但增加了冷卻水網路結構管線的複雜度，而且整個冷卻水網路系統的韌性也大大降低。 為了解決這方面的問題，可以在冷卻水網路系統中加入中間儲存槽的設計， 不但降低了冷卻水網路結構管線的複雜度，而且整個冷卻水網路系統的韌性也大大提升。 另外在本研究設計中，在網路結構中加入少數根冷卻器單元間的管線連接， 不但對於整個系統的韌性沒有很大的影響，且冷卻水的使用量也節省了不少。 最後將產生一個混合整數非線性規劃的問題；在本研究的後面也設計的幾個簡單的問題， 根據問題設計數種不同的情況，並依不同的情況進行分析與討論。另外， 在製程用水網路的部份，水不但可以當作反應物或產物，且在吸收、萃取的製程中， 水也可以當作質量分離溶劑。

A novel superstructure-based MINLP formulation is proposed for synthesis of cooling water networks with intermediate mains. The proposed mathematical model considers the generic problem confronted in the design of a re-circulating cooling water system, including stretching the cooler network design and setting the operation constraints. Besides the original design items, this research probes into how the number of intermediate cooling water mains influence the re-circulating cooling water system's performance. We also study how the conditional direct connections among cooling units can decrease the consumption of the re-circulating cooling water with a little sacrifice of piping complexity. Typical representative examples are presented to demonstrate the viability of proposed superstructure-based MINLP formulation. Supported by the results of computer analysis, the network superstructure and its design scheme can effectively accomplish the goal of unraveling the design problem of the re-circulating cooling water system with intermediate cooling water mains, and proffering the optimal structure in designing the re-circulating cooling water systems.