第2章　背景分析

在滿足工藝和操作約束的條件下，為了實現設備的產量和能耗的最優配比，化工過程的系統應處于最優操作條件和最佳設計狀態。同時，為了實現設備在整個生命周期內的節能高效運行，希望在全周期內都能夠實現設備的最佳設計與最佳操作。由于實際過程中存在著各種不確定的因素，經常導致系統的操作條件或者設備的結構參數偏離最優值，甚至出現設備的停車。因此，需要在工業設備的運行過程中對其進行改造設計，識別出制約系統產品分離及用能的薄弱環節并加以改造，實現設備運行狀態的最佳化。無論是否對設備進行改造，長期的運行會致使設備的穩態工作點發生變化，過程操作偏離穩態最優點，需要實施運行中操作條件的再優化。

傳統工業設備的改造設計和操作條件的再優化往往是分開、分步進行的，且設備改造多采用離線分析的方法實現設備的分析。首先由化工工程師基于穩態模型和穩態設計方法，利用化工模擬軟件建立穩態計算模型，并求解出設備的結構參數，得到最佳的設備改造設計方案。在工藝改造完成后由控制工程師以此為被控對象，設計配套的控制系統，使過程在設計的最優點保持穩定的操作。

傳統的設備改造操作往往是離線進行的，且應用的最優改造設計數據主要是通過離線得到的，改造后的設備也會與所期望的改造結果存在偏差。對于設備的實際運行來說，傳統的改造主要是在幾年一次的檢修期進行的，施工周期較長。同時，考慮到可能涉及更換操作元件，設備改造的成本也會增加，操作費用較高。改造措施的離線操作特性也不能滿足實施在線調整的要求，不能保證生產周期內裝置流程設計的實時最優化。因此，應研究流程重構的設計方法，根據工藝操作條件的變化實現裝置流程在線調整，進而實現在線流程重構改造。

此外，工程設計人員在過程設計階段并未考慮到后續過程最優操作的問題，以及工程設備改造設計對于控制回路和最優操作條件的影響，以至于改造后的設備仍處于低效率的運行狀態。同時對于較為嚴格的產品質量，設備的改造能夠實現質的改變，然而能量如何最優配比還需要對整個裝置的操作條件進行再優化，以實現設備的高效運行。基于以上的原因，研究工業設備流程重構的設計、識別及操作條件的再優化在工業設計及優化中的重要性日漸凸顯，它能夠同時實現設備的在線調整和操作條件優化的雙目標。

針對進料條件對精餾塔內部的傳熱/傳質及全塔用能的影響，本書旨在提出一種識別精餾塔進料瓶頸的方法，并采取進料位置調整的流程重構方法來消除進料瓶頸。針對類似于實際工業設備的仿真模型裝置，探究如何對其進行操作條件的優化，并給出對其優化的具體方法。針對一種復雜的、傳熱傳質的分離設備——脫甲烷塔，如何實現對其進行指標及進料位置的切換控制和節能控制。

根據研究對象復雜程度的不同，分為實現單個功能的簡單操作單元對象和由單個功能的簡單操作單元按照一定流程組合而成的復雜系統。根據操作對象實現的功能不同，可以分為各種不同類型的操作單元。其中精餾塔和換熱器的研究較為普遍，分別用來實現產品的分離和能量的交換。一些學者選擇對精餾塔操作單元進行研究，討論其設計與改造方法，研究控制策略及操作條件優化的方法等^{［10～13］}；另一些學者則對由多組換熱器構成的換熱網絡進行研究，研究換熱網絡的設計、控制及節能改造措施^{［14～22］}。倘若僅對單個操作單元組成的簡單對象進行研究，往往需要假定其外部輸入的條件保持不變，研究結果仍具有一定的理論價值，并且對于復雜系統操作具有指導意義，但是這并不能完全反映出整體系統的特性。因此，在對于研究對象，應該根據所需要實現的功能進行選擇。

為了從結構改造方面實現精餾塔的節能增效，具體的實施方法主要包含兩個方面：①識別出系統的瓶頸，根據瓶頸識別準則對系統的瓶頸進行調整并實現節能增效；②直接設定系統設定改造的目標，采用結構優化的方法找到系統改造的措施并實現系統的節能。從實施方法上來說，前者往往采用較為直觀的圖示法，后者則往往采用數學優化的方法。

為了直觀形象地表示分離系統內部的熱力學特性，Dhole和Linnhoff^［23］提出分餾塔總組合曲線（column grand composite curve，CGCC）的分析方法對精餾塔進行節能改造。吳升元等^［24］受此啟發，提出基于CGCC曲線確定分餾塔進料位置的方法，通過構造出與CGCC部分重合的兩條相交的全塔精餾和提餾線，分析CGCC進料位置與兩條曲線之間的關系來確定最佳進料位置。但所采用的全塔精餾和提餾線主要依據塔頂或塔底進料求出，也就限制了該方法僅適用于單一進料的情況，因此不適用于多股進料脫甲烷塔的進料位置分析及瓶頸識別。

相比之下，分析方法同時包含了熱力學的第一定律和第二定律，能幫助識別出系統的無效操作單元。Khoa等^［25］提出用三維分析曲線來識別影響精餾塔正常運行的設計和操作參數。Bandyopadhyay^［26］應用“-焓圖”中“精餾-提餾曲線”的恒定特性分析識別了精餾過程中的損失。Liu等^［27］利用復合曲線和面積利用率（fractional utilization of area，FUA）曲線來識別最優的改造策略。Wei等^［28］對文獻［27］的方法進行了拓展，能直觀顯示出系統內部的瓶頸位置。Long等^［29］采用FUA方法來判斷氣相的通過面積，來辨識精餾塔內部的液泛問題，進而采取熱泵和熱耦合精餾相混合的措施實現解瓶頸與改造操作。他們所提的分析方法雖能夠直觀指示出系統的瓶頸位置，但只是針對單一進料或者二元精餾塔的情況，對于多股進料和多組分分離顯得乏力。Shin等^［30］采用分析作為熱力學工具來研究在天然氣液體回收過程中不可逆的能量損失，探尋系統中的無效操作與設計。這些是制約精餾塔系統用能的瓶頸，也從計算上給出相應的判斷準則。與用來進行瓶頸分析或者設備改造相比，分析方法更主要是用來判斷設備改造或者操作過程中無效能的量，是一個重要的能量效率的衡量指標^{［30～32］}。

考慮到脫甲烷塔的多股進料及多組分的復雜性，且計算過程極為復雜，分析相關的節能研究方法并不太適用于復雜進料的情況，需要結合內部傳熱/傳質的機理找到針對多股進料精餾塔的瓶頸識別方法。

近年來，隨著計算機輔助求解技術的進步，流程模擬或數學優化法因其考慮多因素的方便性，并且能直接實現系統重構或改造方案的便捷實施而得到廣泛的關注。根據文獻記載，自20世紀80年代以來，工業過程中的設備改造投入不斷加大，占總投入的70%～80%^［27］。在精餾過程中，隨著市場對于新產品及產量需求的不斷提高，能源緊缺，原始設備很大程度上造成能量的浪費或者不能滿足需求，需要對精餾過程進行有效的改造。精餾裝置改造技術應運而生，主要包含熱泵系統的應用^{［29，33～43］}、自熱再生技術^{［44～48］}、進料狀態調整的研究^{［11，49～51］}、再沸器和冷凝器的利用及改造^{［52～55］}、精餾塔塔板結構的改造^［27］等方面。

（1）熱泵系統的應用　若精餾塔具有相對較低的熱力學效率，則可以通過再沸器輸入一個較高品級的能量來完成分離任務。同時，需要由塔頂的冷凝器提供同樣數量的冷量來抵消塔底的熱量，熱泵的概念便應運而生，目的是提高精餾塔的能量利用效率。對于蒸汽壓縮式熱泵，選用一種合適的工作流體，該流體在冷凝器被蒸發后，通過壓縮機重新壓縮到一個較高的溫度，并在再沸器中被冷凝，然后通過一個節流閥達到低于冷凝器的溫度。在此過程中，熱泵系統中合適的工作流體是設計中的一個重要的參數。考慮到一些餾分氣的不可壓縮性，蒸汽壓縮式僅適用于一些特殊的熱泵系統。蒸汽壓縮式技術對于處理具有腐蝕作用和容易結垢的化合物相當有效^［33］。相比之下，機械式蒸汽再壓縮熱泵則廣泛應用于具有相似沸點的混合物的分離過程。塔頂的氣相餾出物經壓縮機壓縮到達一個即使在較高溫度下也能冷凝的壓力，進而能為再沸器提供有效的熱能，使得再沸器和冷凝器需求的額外能量下降^{［34～37］}。機械式蒸汽再壓縮熱泵技術對揮發性相對較低的混合物是較經濟有效的。由于塔頂和塔底的溫差較小，它需要較小的壓縮比，壓縮機的功率也就較低^［38］。機械式蒸汽再壓縮熱泵技術比蒸汽壓縮熱泵所需要的冷凝器更小，并且僅進行一次熱交換，精餾塔的熱效率較高^［39］。熱蒸汽再壓縮熱泵是對機械蒸汽再壓縮式熱泵的改進，用一個蒸汽噴射器來代替原來的壓縮機進行工作。由于蒸汽噴射技術的優點，熱蒸汽再壓縮技術得到了廣泛的應用^［40］。蒸汽噴射器通過文丘里效應，從進入變徑管道的射流流體中獲得機械能，進而使得熱蒸汽再壓縮技術具有較強的魯棒性，同時設備中不含有旋轉部分，也就降低了設備投資和維護費用^{［41，42］}。輸入流體與塔頂餾分的混合可以達到需要的溫度，這種技術比較適合塔頂產物中含水蒸氣的精餾過程^［43］。底部閃蒸熱泵是一項重要的改造技術，來自精餾塔的底部流股在閃蒸罐內分成兩部分：一部分作為最終的產品；另一部分先通過減壓閥降低自身溫度，再與塔頂出料流股進行熱交換，隨后被壓縮到與塔相同的壓力^［37］。

（2）自熱再生技術　熱泵的技術僅考慮到了精餾塔再沸器的熱量回收，并未對進料預熱所需的熱量進行考慮，而自熱再生技術則是通過壓縮機充分利用系統的潛熱和顯熱^{［44～46］}。Kansha等^［47］在自熱再生技術的基礎上，提出一種有效的、促進精餾塔能量利用的集成過程模型。將精餾塔分為兩個模型，兩個模型之間通過壓縮機和換熱器實現潛熱及顯熱的再生利用，從而降低了整個過程對外部能量的需求。這種技術既可以應用于精餾塔的原始設計問題，也可以應用于對精餾塔系統的改造，且已經廣泛應用于流程工業^［48］。當塔板的數目及直徑等結構參數固定時，增加壓縮機及換熱器的數目能有效降低精餾系統對外部能量的需求，與精餾塔的重新設計相比，改造過程也較容易實現。

（3）進料狀態調整　將進料流股分成兩股，并對其中一股流股進行預熱，能夠將預熱效率提高^{［49，50］}。根據組合曲線的特點，進料的預熱或者預冷能分別有效地改變塔底再沸器或者塔頂冷凝器的熱負荷和冷負荷的用量。Soave和Feliu^［51］通過回收塔底部產品中的有效熱能并對進料進行預熱，能夠降低底部再沸器對外界熱能的消耗，從而使精餾塔達到節能的效果。他們應用穩態流程模擬的方法，通過迭代計算來確定能使工業精餾塔節能達到50%的進料分流比，并且得出在冷凝器的溫度低于環境溫度的精餾塔中，最小化冷量的消耗對于節能是至關重要的。Soave等^［11］對深冷分離塔進行了分析，結合進料分流的應用，研究了利用塔頂產品對進料進行預冷操作來降低塔頂冷凝器的冷量消耗。精餾塔進料的熱狀態對精餾塔的處理能力具有強烈的影響^［9］，且對于組分較難分離的過程尤為明顯。而改變進料的熱狀態的研究主要集中在單一進料或者二元精餾塔方面，也可以用來分析更加復雜的精餾塔。

（4）再沸器和冷凝器的利用及改造　為了最小化能量的消耗，通常通過回收塔底液相產品的熱量來為精餾塔的底部提供能量^{［52，53］}。Manley^［52］應用中間再沸的技術提高天然氣的回收率，這主要應用于脫乙烷塔和脫丙烷塔的節能研究中。當塔底的產品中含有較多的重組分時，中間再沸器的熱效應會更為明顯。且在中間再沸器的應用中，抽出的流股與返回的流股一般在同一塊塔板上。通過對比，含有中間再沸器的精餾塔能夠大幅度地降低熱公用工程。Bandyopadhyay^［54］通過對精餾塔的熱集成研究，發現使用側線換熱器也能有效提高精餾塔的效率。對于低溫精餾塔，通過中間冷凝器和中間再沸器的聯合使用，能夠有效降低能量的消耗^［55］。對于精餾塔來說，相關研究也表明中間再沸器和冷凝器的使用能夠允許精餾塔產量的增加^［9］。同時，兩者的使用也能改變精餾塔內部的氣液相流股的分布，使塔內部氣液相相對塔面積的使用更加一致。由于中間再沸器的存在，精餾塔底部的氣液相擁堵的現象得到了有效緩解。因此，增加中間再沸器的過程改造增加了整個塔的使用面積。中間再沸器能夠有效減少下部塔板的液相流量，并且增加上部塔板的氣相流量。相似地，中間冷凝器能夠減少上層各塔板的氣相流量，增加下層各塔板的液相流量。

（5）精餾塔內部結構的改造方面　隨著精餾塔塔板結構的迅速發展，產生了一系列高效的塔板結構。對精餾塔的內部結構參數進行分析，用高效的塔內部結構替換原始內部結構能有效提高精餾塔的分離效率和能量利用率。因而，內部結構的改造是一種快速有效的精餾塔的改造措施。用新的內部結構元件代替現存設備元件的方法，能夠使精餾塔的處理量明顯提升，但這并非是唯一的選項，也并不是最經濟的改造方式。這種更換元件的方式是最直接且有效的方法，但是設備改造的費用較高，停工期較長^［27］。

在眾多的精餾裝置改造方法中，核心應用技術是根據要求建立相關系統的數學優化模型，選取目標函數，采用合適的數學優化算法，通過求解得出最終的流程重構策略或者改造方案。代表性的研究主要包括Diaz等^［56］和Luo等^［57］建立混合整形非線性規劃的（mixed integer nonlinear programming，MINLP）數學模型，并采用相應的求解方法實現對精餾塔結構的優化，從結構上實現對精餾系統進行去瓶頸操作。這種方法可被看作是一類“黑箱”的研究方法，不必事先識別瓶頸的位置，也就降低了識別系統瓶頸的難度。但去瓶頸的改造方法實施的過程往往極其復雜，且最優解也并不一定存在。在此基礎上，引入圖示化的分析方法能夠有效降低“黑箱”分析方法的難度。尹洪超等^［58］做了相關研究工作，提出基于超結構模型的數學規劃方法與全局夾點分析相結合的設備改造方法對老舊設備進行改造。該研究方法較類似于常說的“灰箱”研究法，在部分夾點法分析結果的基礎上進行優化計算，能夠從很大程度上降低優化求解的難度。無論是哪種操作方法，都需要建立設備改造的結構化優化模型，并且需要實現優化問題的求解。這些在實際的過程中都是不易求解且不易操作的，且所建立的結構優化模型的可靠性也需要不斷驗證。

為確保能夠方便得到識別出的系統的瓶頸位置并得到相應的調整方案，通過對比瓶頸識別方法和設備改造方法的優缺點，裂解裝置多組分、多股進料的脫甲烷塔的瓶頸識別方法可以從圖示法的角度出發，研究出新的通過表達塔內部傳熱/傳質特性的可視化方法來識別多組分、多股進料精餾系統瓶頸的方法。

在設備的生產過程中無論是即將投入生產的新設備還是經過改造的老舊設備，在運行一段時期后都會存在操作點改變的問題，導致設備在運行過程中系統的能耗和物耗較高，重新進行設備改造成本較高且不易實施。與之相比，操作條件的優化是降低系統成本、提高經濟效益的絕佳手段^{［58～62］}。

精餾過程中的操作變量對產品產量和能耗具有重要的影響，在精餾系統生產過程中應對其進行優化操作，根據研究的側重點的不同，可以進行不同的劃分。從對象的復雜程度上說，主要可以分為單一精餾操作的單塔優化和核心精餾系統與外圍設備的協同優化。從操作優化實現的對象形式上，文獻的研究主要采用建模及模型仿真的方式對精餾塔裝置進行仿真，根據對象的特性的不同，一方面可以建立優化問題后采取各種類型的求解方法，得到最優的操作參數；另一方面可以通過變量分析得到參數之間的相互影響規律，并對其調整實現最優化的操作。從操作優化問題的求解優化算法上來說，主要分為普通優化算法和智能優化算法。從操作優化的實效性上來說，分為在線優化和離線優化兩種。

為獲取精餾塔系統的最優操作條件，學者們往往從建立研究對象的仿真模型開始，在此基礎上采用不同的優化方法實現所建立對象的操作條件優化問題的求解。劉興高等^［63］提出理想物系內部熱耦合精餾塔的操作費用的估計方法，即通過建立的過程操作費用的優化數學模型來進行操作費用節省的優化。這種優化問題的求解既能夠揭示出操作費用的節省潛力，同時又能得到最大操作費用節省目標下過程的最優操作條件。邵之江等^［64］根據開放式方程建立了精餾塔的嚴格機理優化模型，考慮優化操作的實時性要求，提出基于簡約空間序列二次規劃算法的精餾塔智能操作優化方法。此方法綜合考慮了優化效益、優化求解時間和質量約束等因素，其計算效率高于基于Snopt軟件包和一般簡約空間二次規劃算法的精餾塔操作優化方法。針對精餾塔操作優化問題自由度低、模型結構稀疏且導數難以得到解析解的問題，江愛朋等^［65］對文獻［64］所提出的方法進行了拓展，將簡約空間序列二次規劃算法與混合求導方法相結合，建立精餾塔操作優化的問題，并采用自動微分技術進行優化問題的求解。席永勝等^［66］通過從歷史數據中挖掘模糊規則，結合專家經驗建立模糊規則庫，描述進料量、回流比與塔頂產品濃度之間的映射關系。提出了一類含模糊規則約束的數學規劃模型，并將采用合成推理方法得到的模糊系統作為數學規劃問題的等式約束，最后采用融合模糊推理的遺傳算法進行求解來獲得精餾塔的最優操作條件。文獻［63～66］的研究主要包含優化模型的建立，實現優化問題的求解，最終得到最優的操作條件。其計算求解的過程往往復雜，一般較難得到操作優化問題的最優解。

考慮到通過模型計算來求解最優操作問題的難點，基于仿真軟件的模型仿真操作條件分析易于操作且結果準確性較高，不用求解大量的數學優化問題。Nakaiwa等^［67］通過模擬仿真的方式對理想熱集成精餾塔進行了參數分析，分析過程設計和操作變量的影響關系，并為過程配置提供相應的指導，這種方式得到的過程結構具有較高的能量利用效率和靈活性。Gadalla等^［68］考慮到煉油廠蒸餾系統的能量密集性，以及與相關聯的換熱網絡之間關系的復雜性，采用蒸餾塔模擬開發的快捷模型與用于換熱網絡研究的改進快捷模型相結合的方式，通過改變關鍵操作參數來優化現有的蒸餾過程，同時考慮內部的水力限制以及現有熱交換器網絡的設計和性能，取得了不錯的經濟效益。同樣，根據對仿真模型中的操作參數的分析，羅雄麟等^［69］提出均衡操作優化的觀點，認為乙烯精餾塔系統總能耗應該同時包含精餾塔自身能耗與塔底乙烷循環裂解的能耗，且兩者之間此消彼長。仿真及數據分析能夠得出兩者之間的相關性并且證實總能耗存在最優點。對于操作的調整，只要將兩者控制在相應的可行域內，即可實現兩者之間的均衡操作優化，得到較高的回收率和較低的能耗，方便且易于實現。Liau等^［70］使用由一組經驗豐富的工程師所提供的專業知識建立原油蒸餾的專家系統，用具有人工神經網絡（ANN）方法的輸入-輸出數據來構建原油蒸餾操作模型的知識數據庫，并利用定義的目標函數找到最佳操作條件。Inamdar等^［71］建立了精餾塔的穩態模型并通過工業數據進行校正，采用非支配排序遺傳算法實現對上述模型進行操作優化問題的求解，并且在可接受的限制下獲得系統的最佳操作條件。仿真的分析能夠有效識別最優的操作變量，但要得到最優操作變量的值還要采取相應的求解方法，對于數學模型以及實時優化問題的建立難度大且計算量較大；相反，根據過程操作數據能快速得到神經網絡模型，并且評估計算時間短。Osuolale等^［32］在HYSYS仿真的基礎上建立考慮有效能效率和產品組成的神經網絡模型，實現了在滿足產品質量約束的同時有效能效率最大化的操作優化。

工廠內實際的操作對象往往流程極其復雜，為實現復雜問題的簡單化，Tahouni等^［72］考慮到低溫分離系統內部的核心過程分離塔與外部換熱網絡及制冷循環系統之間的復雜關系，首先對單個系統分別進行操作參數的優化，而后采用遺傳或者模擬退火算法實現對整個系統的協同優化，進而證明協同優化能夠獲得更高的經濟效益。Luo等^［73］分析了蒸餾過程的操作變量對產品產量和能耗的影響。最低能量消耗和最大產品產出值的目標不協調，會阻礙煉廠的經濟利益，因而提出了一種系統優化方法，在Aspen Plus對蒸餾塔模擬的基礎上，采用夾點分析來確定能量回收的目標，并建立非線性規劃問題，再通過粒子溫敏隨機算法進行解決，適用于同時考慮產品產量和能耗來實現原油蒸餾系統年經濟效益最大化。無論是由單系統到整個系統的協同優化，還是整個系統的系統優化方法，都需要解決最終優化問題的求解，而求解方法往往較煩瑣，常規數學求解方法又較為乏力。上述的優化方法一般是離線操作優化方法，也不適用于在線操作優化或者較為實際的優化操作。

目前對于操作優化方法的研究文獻多集中在根據建模或者仿真的方式去實現離線的優化，且操作的對象往往不是實際對象本身，這樣優化出的結果往往并不能直接應用到實際的裝置上，因而能夠直接應用于實際對象的操作優化方法顯得更具有市場應用前景。本書將從關鍵操作單元的操作優化和整個系統的操作優化的角度，探討多股進料脫甲烷塔裝置操作條件優化的問題，并為實際裝置操作優化問題的解決提供直接應用的范例。

針對本書中所涉及的研究對象——脫甲烷塔裝置，王松漢等^［74］認為脫甲烷部分的冷量消耗約占總負荷的12%，甲烷-氫的分離效果直接影響產品的純度和后續的分離工序，是裂解氣分離的關鍵。研究關鍵流程脫甲烷塔的操作條件直接關系到乙烯的產量、質量及成本的高低^［75］。學者們對于脫甲烷塔裝置的研究主要集中在對脫甲烷塔的改造優化方面和對塔的控制方法的研究方面。

對于優化問題的考慮，王弘軾等^［76］在對低壓脫甲烷系統進行計算機模擬的基礎上，建立了以系統乙烯損失與能耗之和為目標函數的最優化數學模型，采用可行路徑序貫模塊法為最優化計算策略，結合廣義既約梯度法對該系統實施優化計算，找出了對系統目標函數影響較大的可調決策變量及其最優化條件。他們對優化決策變量的選擇及中等規模化工系統的優化策略進行了有益的探索。張元生^［77］從操作條件出發分析了影響乙烯裝置脫甲烷塔運行的主要因素，并針對乙烯裝置改造后脫甲烷塔存在的問題進行了探討。采用提高塔壓、節流膨脹等方法改善脫甲烷塔的操作，減少了塔頂乙烯損失，提高了乙烯產品收率。Yang和Xu^［78］在嚴格仿真模型的基礎上，應用靈敏度分析的方法確定系統的最優操作變量，針對冷箱和脫甲烷塔的集成系統，建立了塔頂乙烯損失和能量消耗最低的目標函數，求解得到了最優的操作變量。趙晶瑩等^［79］在實際工廠數據的基礎上，建立系統的仿真模型，根據優化系統中通過壓縮機的循環量，進而實現對整個系統的節能優化。

對于改造問題的考慮，蒲通等^［80］針對脫甲烷塔通過能力差、乙烯損失大等問題，應用流程模擬軟件進行模擬計算，得出CH₄/H₂摩爾比塔頂操作壓力、塔頂溫度等影響乙烯回收的因素，并給出了相應地降低乙烯損失的操作措施。馮利等^［81］通過模擬計算，認為將脫甲烷塔經過填料改造代替原來的浮法塔板，可帶來系統的穩定操作和能耗的降低。陸恩錫等^［82］在原始的脫甲烷系統的基礎上，應用流程模擬開發出一套新系統，雖然新系統能達到節能的目的，但新流程的改造實施過程復雜，成本較高。張海濤^［83］采用水力學計算的方法，從脫甲烷塔內部改造的角度出發，降低脫甲烷塔的乙烯損失率。Nawaz等^［12］建立利潤的經濟目標函數，應用模擬退火算法尋求系統最優的設備尺寸和操作條件。

綜上所述，對于乙烯裂解裝置脫甲烷塔的研究，目前文獻的研究限制在應用流程模擬或者操作條件優化對脫甲烷塔本身的改造和操作條件修改的范疇，未從脫甲烷塔的進料位置分布對內部傳熱/傳質特性的影響以及瓶頸分析、進料位置的流程重構的設計方面進行研究。

與脫甲烷塔的控制策略相關問題的研究也是一個重要的課題，金冶^［75］主要從傳統的控制器控制方法進行研究，探討塔的控制方法，以保證產品的質量指標，未考慮其他的因素。方紅飛等^［84］通過流程模擬，在脫甲烷系統內部引入質量控制回路，并通過控制系統的閉環動態模擬為脫甲烷塔的操作優化和控制系統設計提供決策依據。針對脫甲烷塔的進料狀態隨進料位置的差異，Luyben^{［85，86］}對脫甲烷塔系統的動態控制進行了研究，提出脫甲烷塔的進料中甲烷和乙烷的相對數量對深冷高壓精餾塔塔底產品有重要影響，同時分析了進料組成對脫甲烷塔設計的影響，提出隨著進料組分數量的變化，應該對設備進行有效的改造。但同時考慮脫甲烷塔關鍵指標控制與系統能量優化的控制策略并未提及，針對多組合進料位置的切換問題也未涉及。

綜合分析以脫甲烷塔為主要研究對象的文獻，主要限制在應用流程模擬或者操作優化對脫甲烷塔的內部結構、外圍設備的改造以及操作條件的優化方面，而對多股進料脫甲烷塔內部傳熱/傳質的分析、進料位置調整的控制方法及控制與能量優化相結合的控制策略的研究較少。本書從脫甲烷塔內部的傳熱/傳質的分析研究出發，研究進料位置對內部的傳熱/傳質的影響規律，進而實現系統的瓶頸分析及流程重構的設計，在進料位置切換的流程重構過程中同時解決關鍵指標的控制與系統能量的協同優化等問題。