第六章最优化方法在化学化工中的应用简介

第六章最优化方法在化学化工中的应用简介什么是最优化方法：讨论在众多方案中什么样的方案最优及怎样找出最优方案。实际问题数学模型（目标函数）f(xl,x2,…,xn)求f(xl,x2,…,xn)的极值调节变量x单纯形法化工调优教学进度单纯形规则：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：n维空间中由n十1个点构成的最简单的封闭图形。基本思想：函数f(x)的导数是函数f(x)性态的反映。如：斜量的负方向就是该函数在这点领域内最迅速下降的方向。)()(0xxf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。6-1-1单纯形法——基本概念6-1-2方法原理——单纯形规则xyABCDEFGHPABC，A最佳，C最差C反射到D，CP=PD，AP=PBD比A好D扩张到E，PD=DEE比B好ABE……YYD比B好NABDAFD……NYD比C好N收缩DG=GPABGY……N收缩PH=HCABH……单纯形规则示意图6-1-3单纯形法——应用示例教学进度例：色谱分离的顺序优化色谱响应函数niipCRF1)ln(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：CRF0优化目标：使CRF最大教学进度例：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t/℃流量/mol·min-16011021012345678tv6-1-3单纯形法——应用示例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。统计调优法工作步骤:6-2化工调优建立数学模型选定调优对象数学模型是否符合生产实际情况开始定调优目标数据的收集和取舍自变量选定和分析用图表指导实际操作结束效果鉴定达到最佳否？是是否否统计调优法的工作步骤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。6-2化工调优——应用示例蒸汽锅炉排气脱硫装置流程图尾气添加NaOHSO2回收吸收液SO2，O2锅炉排气热分解器排放Na2SO4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=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——应用示例模拟法调优工作步骤:变量不多时：等值线图变量和约束条件比较复杂时：搜索法满意否满意建立数学模型选定调优对象检验数学模型开始模拟研究及优化分析结束在装置上实施实施效果否模拟法调优的工作步骤是否提供数学模型解算数学模型是否电子计算机6-2化工调优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。一段转化二段转化高低温变换脱碳，甲烷化氨合成原料天然气蒸汽燃料天然气工艺空气驰放气作燃料循环气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。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。6-2化工调优——应用示例