中文摘要：

以过程工业的节能减排为背景，针对质量/能量交换网络中能源高效综合利用技术及其科学原理，基于热力学分析的方法对不同性质流股的非等势混合造成系统公用工程消耗增加，减少或者保持不变的原因、条件及影响规律展开研究。通过研究流股混合前后系统新、旧热夹点位置与系统用能效应的关系，分析流股非等势混合造成能量降级并由此产生能量惩罚的条件，获得过程系统中流股混合对系统用能产生惩罚的机制，确定影响系统用能特性的关键参数，建立可识别使系统产生能量惩罚的非等势混合识别方法以及消除系统能量惩罚的非等势混合规则和优化调控方法，进而构建网络重构集成的分析和设计方法，以达到充分合理利用非等势混合无传热温差限制实现直接换热，减少系统公用工程消耗、减少过程系统总的热负荷，从而减少系统换热器数目、降低设备费、实现资源和能源的同时最小化，为实际工业过程的质量/能量交换网络合成及最优化提供理论依据。

结论摘要：

本研究以过程工业的节能减排为背景，针对质量/能量交换网络中能源高效综合利用技术及其科学原理，基于热力学分析以及数学规划的方法对不同性质流股的非等势混合造成系统公用工程消耗增加，减少或者保持不变的原因、条件、影响规律以及系统合成展开研究。通过热力学分析证明了流股混合顺序对水网络能耗会产生巨大的影响。依据水网络的不同结构特征，研究中把混合顺序问题分为多流股用水网络的混合顺序问题和多单元用水网络的混合顺序问题，通过研究流股混合前后系统新、旧热夹点位置与系统用能效应的关系、分析流股非等势混合造成能量降级并由此产生能量惩罚的条件，获得了过程系统中流股混合对系统用能产生惩罚的机制，确定了影响系统用能特性的关键参数，得出了混合顺序对系统能耗的影响以及混合规则，建立了可识别使系统产生能量惩罚的非等势混合识别方法以及消除系统能量惩罚的非等势混合规则和优化调控方法。在此研究结果基础上，通过分析过程流股在非等温混合过程中的能量转移，提出一种有效控制参加热集成流股数目的新策略，并建立了一种考虑非等温混合的能量集成水网络超结构模型。在实施热集成时，只需考虑新鲜水流股、混合流股和废水流股，参加换热网络合成的流股数目不会超过3N（N为用水单元数目）个，使能量集成水网络的模型规模能够得到很好的控制。最终基于线性规划（LP）转运模型将能量集成水网络综合问题表示为广义析取规划（GDP）问题，利用0-1变量和借助大M法，把GDP问题转换为混合整数非线性规划（MINLP）问题，求解并获得新鲜水用量及公用工程目标同时最优并且非等温混合传热最大化的用水网络后，采用夹点法设计满足最优公用工程目标的换热网络。本研究实现了能量集成水网络中流股混合对系统用能特性影响的热力学分析，建立了网络合成的系统工程方法，可用于解决大规模考虑能量集成的水网络合成问题，可实现充分合理利用非等温混合无传热温差限制的直接换热，减少系统公用工程消耗、减少过程系统总的热负荷，从而减少系统换热器数目、降低设备费、实现资源和能源的同时最小化，为实际工业过程的质量/能量交换网络合成及最优化提供了理论依据和方法。