随着环境污染越来越严重,我国对化工工艺过程中的废物排放问题也越来越重视,化工工业亟需一个系统性设计方案来达成单元或装置内的废物最小化目标。质量集成(Mass Integration,简称MI)以及质量交换网络(Mass-Exchange-Network,简称MEN)作为化工过程中直接处理污染物料的有效工具,其发展得到了广泛的关注。本研究主要综述了近年来国内外对于MEN设计的研究进展,并且分析了现有质量集成策略和MEN的设计中存在的不足,针对这些不足之处,本项工作主要解决了以下几个问题:(1)在质量集成策略中,通常通过对污染物料进行截流操作以降低其污染物浓度,达到对污染流股进行循环或排放的要求。然而,现有策略对截流位置的选择往往是单一的;本文改善了该策略中的不足之处,建立了新的混合整数非线性模型(MINLP),该模型既包含单一位置的截流,又包含对多个位置同时截流的组合情况,以期在更加完整的求解空间中得到最优的截流方案,从而得到最优的质量集成策略。本文通过对截流氯乙烷合成工艺中的氯乙醇杂质作为案例进行建模研究,并用LINGO计算软件进行求解,验证了该MINLP模型的有效性。(2)MEN是过程工业中实现污染预防的有效工具,一个完整的MEN结构由多个质量交换器组成,常见的质量交换器为板式塔和填料塔。当板式塔作为质量交换器来合成MEN时,在获得最优设计后,塔板数必须要向上取整到最近的整数,这将增加设备投资费用。在设计化工厂时,增加设备投资费用会减少操作费用。然而在之前的研究中,即使将塔板数向上取整后增加了设备投资费用,操作费用依然被认为是定值,因此,年度总费用(TAC,包括操作费用和设备投资费用)高于真正的最低费用。为了解决这一问题,本研究在原有数学模型中加入了取整函数以获得最优的MEN结构。在两个常用的MEN综合数学模型(基于组成-浓度间隔图的数学法和基于分级超结构的数学法)中加以应用来说明取整函数的实用性。这些修改的模型被应用到焦炉气的处理和废水脱酚两个案例中,所建立的数学模型均用LINGO11.0软件求解。与文献中的结果相比发现,本研究获得的结果更优。这一研究表明,取整函数能够解决一系列涉及板式塔的MEN综合问题,并且通过该取整函数可以获得更加准确的MEN设计方案和具有更低TAC的MEN结构。