第六章最优化方法在化学化工中的应用简介

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6-1-3 单纯形法——应用示例 例：色谱分离的顺序优化 色谱响应函数
CRF ln( pi )
i 1 n
p——峰分离函数
i——峰个数
CRF：判断峰分离程度 完全分离： p =1,CRF=0 其它情形：CRF<0 优化目标：使CRF最大
教学进度
6-1-3 单纯形法——应用示例 例：通过变化柱温和载气流速优化2，3-二甲基 己烷和3-甲基庚烷的分离 流量/mol· min-1 10 8 7 6 t 1 4 5 3 2
6-2 化工调优——应用示例 （3）由模拟结果产生简化模型，进行优化搜索。
原料天然气
一段转化
二段转化
高低温变换
蒸汽
工艺空气
燃料天然气 脱碳，甲烷化
循环气
驰放气作燃料
氨合成
以天然气为原料生产氨的流程
6-2 化工调优——应用示例 优化决策变量(即操作条件)： 水碳比、氢氮比、转化部分的炉管壁温度、入口温度、 转化压力、惰性气浓度、合成压力等。 步骤： （1）通过模型检验，确定模拟计算的基准条件。 （2）根据过程的数学模型，在计算机上进行不同条件 的数值计算，可以得到转化部分四个参数中： 炉管管壁温度对单耗的影内最灵敏，应在高温下运行最 适宜。转化炉入口温度的提高，对降低单耗有利。操作 压力不宜提高。水碳比的变化对降低单耗不明显，故宜 于在保证不积碳的前提下降低水碳比。
电 子 计 算 机
开始 选定调优对象
是否提供数学模 型
是
否 建立数学模型
解算数学模型 否 检验数学模 满意 型 模拟研究及优化分析 在装置上实施 实施效果 满意 结束 模拟法调优的工作步骤 否
变量不多时： 等值线图
变量和约束条件
比较复杂时： 搜索法
6-2 化工调优——应用示例 大型合成氨装置优化。优化目标是生产每吨氨 的天然气消耗(包括原料天然气和燃料天然气)即单耗为 最低。
是 用图表指导实际操作
效果鉴定 达到最佳否？
是 结束 统计调优法的工作步骤
否
6-2 化工调优 统计调优方法在选择目标函数的最佳点和调优路线 时，利用制作目标函数的等高线图来指导。
6-2 化工调优——应用示例 从锅炉排气中回收含硫化合物的系统优化。优化目标 是操作成本最低。
尾气 吸收液 蒸汽 热分解器 添加NaOH SO2回收
=SOx环境污染的罚金+NaOH费用+蒸汽费用—
SO2回收的收益 =f(Na2S04，吸收液循环量) 运转成本费用＝a0+alx十a2x2十a3xy十a4y十a5y2 将结果绘成等高线图。根据图示最优化方向，逐步调整 Na2SO4 浓度和吸收液循环量，以使运转成本有所降低。
6-2 化工调优 模拟法调优 工作步骤:
6-1-1 单纯形法——基本概念
基本思想：函数f(x)的导数是函数f(x)性态的反映。
如：斜量 f((xx) ) 的负方向就是该函数在这点领域内最迅速下 降的方向。 单纯形：
0
n维空间中由n十1个点构成的最简单的封闭图形。
单纯形规则： 由反射、扩张和收缩所组成的一种逻辑运算。通过这 些运算寻找函数f(x)的最佳反响值。 单纯形法的优点： 不用求导，甚至没有目标函数表达式时也可使用。
锅炉排气 SO2，O2 排放Na2SO4 锅炉排气脱硫装置流程图
6-2 化工调优——应用示例 收集实际装置的数据．并把各种变量在时间座标上进行 点绘，可以看出，真正的独立变量只有两个，即Na2SO4浓 度(x)和吸收液循环量(y)，而NaOH使用量是x的函数，加 热蒸汽耗量是y的函数。 目标函数=装置运转成本
教学进度
6-1-2 方法原理——单纯形规则
ABC，A最佳，C最差 C反射到D，CP=PD，AP=PB D比A好
Y
y
F E A D
N
D扩张到E，PD=DE E比B好
Y N
D比B好
Y
N
P
D比C好
Y N
G B x
ABE
ABD AFD
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H
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收缩 DG=GP ABG
… …
收缩 PH=HC ABH
单纯形规则示意图
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教学进度
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6-1-3 单纯形法——应用示例
6-2 化工调优 调优目的： 调整化工生产装置的操作参数，使生产处于最佳状态。 统计调优法： 用数理统计方法，从日常积累的操作数据中寻找操作 条件变化对优化目标的影响，从而求得优化的操作条 件。 统计调优法中的关联式型式是经验模型，描述的 过程规模不宜太大，而只适用于解决某个单元设备或 简单工序的问题。 模拟法调优：
以描述化工过程的数学模型为基础来寻求达到某个优 化目标的最佳操作条件。它是计算机技术、数学模拟 和最优化方法的综合应用。解决整个生产流程的调优 问题采用模拟法调优。
6-2 化工调优 统计调优法
开始 选定调优对象 定调优目标 数据的收集和取舍 自变量选定和分析 建立数学模型
工作步骤:
否
数学模型是否符合生 产实际情况