气体膜分离单元操作已经广泛应用于各种体系分离,随着膜材料种类增加、膜工艺流程的复杂化,在流程模拟与优化工作中增加膜分离计算模型,对包含此单元操作的设计优化命题进行严格求解显得越来越重要。为解决代数方程运算平台不能求解膜分离单元操作微分方程的问题,本文编制了求解气体膜分离微分数学模型的程序用于流程模拟,建立用于多种膜材料联用、多级膜结构和不确定进料的膜分离流程设计优化命题,提出解决策略并获得优化解,为膜材料选型、流程进料不确定性分析和复杂流程综合提供理论指导依据。本文工作主要包括以下几个方面:(1)编制气体膜分离模块程序。编制程序用于膜分离微分数学模型求解,形成了适用于不同气体流型和不同计算软件的模型库,通过文献实验数据验证准确性。(2)以空气多级膜分离流程为例,探讨多种膜材料联用和多级膜分离的优化。分别以当量膜面积最小、生产单位氮气所需膜面积最小和年经济效益最大为目标,同时以膜材料种类、多级膜分离流程结构、操作参数和设备参数为决策变量,完成设计优化。分析流程结构的推动力差异,从传质机理的角度为优化设计提供依据。(3)以垃圾填埋气多级膜分离流程为例,探讨基于超结构的多级膜分离设计操作同步优化。设计了可同时表达多种多级膜分离流程的超结构,以年经济效益最大为目标,针对进料浓度和流量不确定的特征,建立了考虑不确定操作的设计优化命题。逐步对比了三个不同的优化策略,基于多流程结构的分步求解策略、基于超结构的分步求解策略以及基于超结构的同步求解策略。结果表明,基于超结构的分步求解策略最优方案的年经济效益比基于多流程结构的分步求解策略最优方案的年经济效益高约5.3%,同时计算次数大大减少。进一步,基于超结构的同步求解策略最优方案比基于超结构的分步求解策略最优方案的年经济效益更高而且计算次数更少。