最优化方法在化工中的应用

最优化方法在化工中的应用

摘要：最优化方法主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。其目的在于针对所研究的系统，求得一个合理运用人力、物力和财力的最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系统的最优目标。随着最优化理论的发展，最优化模型和算法的不断完善、创新，如遗传算法、神经网络的建立，进一步为建立可靠模型、精确求解铺平道路。在化工生产与产品销售过程中，最优化的踪迹更是无处不在，如生产设备最优化、生产流程最优化、运输管道最优化、产品利润最优化，以及涉及相关化学实验、化学反应动力学的最优化模型。最优化方法的日益成熟使化工生产低投入高产出得以实现，节约了资源提高了效率，降低了污染。而一系列最优化软件，如Matlab、lingo等在化工过程中得到了广泛应用。

关键词：化工最优化设备管网

1引言

化工过程系统最优化设计的研究在过去二三十年中取得了很大的进展，这主要得益于计算及技术的发展，计算机的应用不仅仅体现在为大规模数值问题的处理提供了强有力的工具, 而更多地体现在为过程设计的经验和艺术插上了数字化的翅膀.大约在十多年前, 当大规模数学规划方法的实施仍面临一系列问题时, 在过程设计领域中一种新引入的概念方法一专家系统以及由此而引申的人工智能方法在解决实际问题上表现出的优势, 引起了人们的关注目前基于知识和规则的智能系统研究取得了很大的进展, 基于经验、工况分析以及逐渐演进方法等的设计过程也越来越多地由计算机完成, 应用知识和经验规则进行过程设计的计算机辅助系统逐步趋于完善, 特别是针对更加复杂(例如同时考虑环境影响以及安全性)的大规模过程系统设计问题, 这些方法仍会有很好的应用前景

化工生产遍布现代生活的方方面面，涉及生活用品、工业材料、油气能源，不一而足。化工过程是一个由原料到产品的过程，其中包含物质的转化与能量的传递，而节能省材一直是工业生产的目标之一；化学反应需要在特定的反应设备里进行，怎样设计反应器，使其既能满足生产要求又能高效率的利用资源，是化工设计者的设计原则；原料、产物与成品的输送需要管线，适当的管路管道尺寸的选择，管道的成本；产量的设定，产品的销售等这一系列问题都需要最优化选择，而最优化算法从建立模型、求解方法方面使这一系列决策尽可能达到最理想结果，以下将对最优化方法在化工过程各个部分的应用作简要介绍。2 最优化方法在化工中的应用

2.1化工设备最优化

化工生产中涉及的设备，如空分装置、通风机、反应釜、蒸汽冷却器、报警装置等都需要对其相关参数进行最优化，以降低能耗提高效率。空分装置是一种利用空气深冷精馏制造工业用的氮、氧、氩及其它稀有气体的一系列设备组合，其流程复杂，整个系统由两个相互联系的复杂塔、若干台换热器以及节流、膨胀设备等组成。整个系统构成了完整的热力学循环，物料流和能量流相互影响，牵一动众。空气可看作N2-Ar-O2三元混合物，于成烈等利用模拟调优方法解决了提高氧气产量的问题。王旭开等对生产己二酸的反应机理与反应动力学进行了假设与简化后，建立了己二酸装置的数学模型，并在计算机上应用序贯计算方法对该装置进行了模拟，在此基础上，用Needer-Mead最优化方法求解己二酸装置的最优工艺参数根据模拟和优化计算结果提出了最优方案，该方案减少了原料用量和副产物的生成。此外，通过建立多维有约束的最优化模型，并通过将单纯形法和惩罚函数法相结合，解决了通风机、冷凝器的效率问题。

2.2化工流程最优化

目前求解大规模化工过程优化与模拟问题时, 必然面临的一个困难就是由于系统的大规模所带来的迅速增长的计算时间。解决该问题的关键在于减少求解稀疏大型线性方程组所需的时间。一种基于并行先导表法的并行计算方法用于求解稀疏大

型线性方程组, 通过重排将大型矩阵转化为带边块对角形式，进而可进行并行部分LU分解。

化工过程是一个时变的、不确定的多变量输人输出关联系统, 其内部机理十分复杂, 在化工过程预报中, 存在极强的非线性关系。目前对这一过程的机理虽不乏研究, 但面对化工过程中复杂的实际问题, 利用传统的数学方法已经很难解决。当前比较成功的办法是采取人工神经网络算法, 通过神经网络的自学习、自组织能力来预测未知的知识。化工过程的优化方法是用多次完整的系统稳态模拟来估算目标函数和约束条件, 再通过迭代计算来收敛。对于一个中型的流程来说, 最优化问题的变量总数可达数千维, 各种描述方程及等式约束方程也有数千个之多。虽然从原则上来讲, 最优化方法本身并不受维数的限制, 但由于流程规模及变量数的增大, 最优化问题的规模也相应增大, 如无合理有效的策略, 就会引起维数灾难，使最优化发生困难。油厂的物流以原油的加工为主线, 生产流程从原油的采购开始, 经过原油的储运、原油的混合、生产装置的加工、油品调合、成品油的储运, 最后到成品油的销售，每一环节都涉及相关参数的最优化。考虑环境影响的间歇化工过程优化是一类复杂的组合优化问题, 可表示为混合整数线性规划(MINLP), 整数变量为结构变量, 如设备、原料条件以及清洗溶剂的选择等, 连续变量为操作变量, 如某生产时间、批量、产量和产生的废物量等。目标函数分为两类, 一是单目标函数, 一般是以费用最小作为目标, 为此需将废物对环境的影响转化为费用。

2.3管网最优化

化工生产中繁复的管网系统是不可避免的，如原料的输送、中间产物在各装置间的传输、产品的输送，要满足输送要求，对流速、管网布置都有特殊要求，兼顾便利、省材、安全等条件。因此，建立恰当的数学模型是必要的，再以适当的算法对模型求解以寻找符合输送条件的管网参数。首先以管网工程投资最小为目标, 根据所需的节点流量分配, 考虑流量平衡和管网平差以及节点的水头要求, 用数学规划方法建立最优化模型并求解出最优解。该最优解包括各管段的最优理想直径和各节点的水头。然后根据管道的实际管径以及事故时、消防时校核数据分析, 对最优解进行调整, 形成一个符合实际技术要求的优化管网设计方案

2.4最优化软件

MATLAB 是Mathworks 公司于1984 年推出的数值计算软件。MA TLAB 具有如下特点：支持多平台操作系统；简单易学的编程语言；编程效率高，可以直接调用大量的MATLAB 函数，编程速度快；用途广泛，可用于数值计算和符号计算、数据分析、工程绘图、图形用户界面设计、建模和仿真、控制系统设计、数字信号处理等MATLAB 在化工中的应用包括：①数值分析。如实验数据的拟合（包括非线性拟合、自定义函数拟合）、数值积分数值微分、求代数方程（组）的数值解、求常微分方程（组）的数值解等；②偏微分方程的求解，对化工设备中的温度、浓度等的动态模拟；③化工最优化。包括研究开发中实验方案最优化、化工数学模型的参数估计、化工过程优化设计、工艺操作参数的优化、过程优化控制以及最优生产调度等；

④实验设计及数据处理。MATLAB 是工程师、科研工作者最好的语言，最好的工具，最好的帮手。近几年，在学术界和工业领域，其工具箱具有强大功能和使用方法，是动态系统进行建模、仿真和分析的1个软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统等，而且系统可以是多进程的。

3结语

最优化方法是运用数学手段研究系统的优化途径及方案，为决策者提供最优化的决策方案。化工过程是一个繁复多变的过程，化工设备、工艺流程、管道设计及产品供给等一系列过程都需要进行最优化的评选，以获取最节能、最省材、最环保、最经济的工程决策。最优化方法的一系列数学模型及数值计算方法在化工过程中显示出重要作用，为化工的发展提供了技术支持。新兴的最优化技术方兴未艾，如遗传算法、神经网络等，连同一系列强大的数值计算软件，为今后化工领域各过程的进一步优化和发展提供了可能。

参考文献

[1]刘乃玲,陈伟,邵东岳等.管式蒸发冷却器的设计[J].山东建筑大学学报.2007,22(2):122-125.