反應器網(wǎng)絡綜合超結構優(yōu)化方法的研究

1、青島科技大學研究生學位論文 反應器網(wǎng)絡綜合超結構優(yōu)化方法的研究 摘要 反應器網(wǎng)絡綜合問題是過程綜合的關鍵性子課題，指的是在已知動力學條件和 進料條件下，尋求適宜的反應器類型、尺寸、反應單元之間的相互關系、流程結構 和關鍵參數(shù)等，以使特定的目標函數(shù)為最優(yōu)。其深入研究對反應過程開發(fā)和優(yōu)化設 計具有重要意義。反應器網(wǎng)絡綜合還影響著過程系統(tǒng)的環(huán)境效應，因為環(huán)境污染問 題往往與反應過程密切相關。一般情況下，反應器網(wǎng)絡模型都是復雜的非線性規(guī)劃 問題，表現(xiàn)為高度非線性微分代數(shù)混合模型，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難求得其全局最優(yōu) 解。近年來很多研究者對超結構和目標法兩種數(shù)學優(yōu)化方法進行了研究。超結構方 法提出一個初始超

2、結構，然后從中找出一個最優(yōu)的子系統(tǒng)。該方法的優(yōu)點在于優(yōu)化 計算中可以直接添加約束和改變優(yōu)化目標函數(shù)，同時得到最優(yōu)的目標函數(shù)值和反應 器網(wǎng)絡。但初始超結構往往過于復雜。本文以簡化超結構模型為目的，研究基于反應器網(wǎng)絡超結構的優(yōu)化方法，具體研究內容如下： （）闡述了全混流反應器（ 卜）對平推流 反應器（ 卜）等常用類型反應器的替代性原理，以反應器為基本反應器類型，建立基于的反應器網(wǎng)絡超結構。將復雜的含有微分代數(shù)方程的非線性規(guī)劃問題簡化為簡單的僅含代數(shù)方程的反應器網(wǎng)絡超結構模型。 （）對基于的反應器網(wǎng)絡超結構模型，本文提出了求解該問題的雙層優(yōu)化方法。該算法通過將反應器網(wǎng)絡綜合非線性規(guī)劃問題分解為物流流

3、量和反應器體積空間的線性優(yōu)化和濃度空間的非線性優(yōu)化問題，降低了所求解問題的規(guī)模和難度，同時利用粒子群算法和列隊競爭算法相結合的全局優(yōu)化算法進行濃度空間的搜索，提高了求得全局最優(yōu)解的概率。實例研究結果表明，優(yōu)化結果與文獻結果相一致，且有的優(yōu)于文獻結果，所以基于的反應器網(wǎng)絡模型和雙層優(yōu)化算法是有效的。 （）一般情況下，基于的反應器網(wǎng)絡超結構模型規(guī)模較大，而傳統(tǒng)的反應器網(wǎng)絡模型都是含有高度非線性的微分代數(shù)模型方程。本文采用離散化微分方程的策略來簡化超結構模型，該策略采用有限元正交配置（ ）法將模型中的微分方程進行離散化，得到一系列非線性代數(shù)方程 反應器嘲絡綜合超結構優(yōu)化方法的研究組，將這些方程組與其

4、它約束條件一起作為反應器網(wǎng)絡超結構的數(shù)學模型，運用數(shù)學軟件進行優(yōu)化計算。實例研究表明，優(yōu)化結果與文獻結果相一致或優(yōu)于文獻結果，離散化方法求解含有微分代數(shù)方程模型的反應器網(wǎng)絡綜合問題是有效的。關鍵詞：反應器網(wǎng)絡綜合超結構雙層優(yōu)化離散化有限元正交配置 童墅型墊盔堂嬰塞生蘭壁絲蘭 一一 ： ， ？ ， 曲 ， ， ， ， ： 反應器嗍絡綜合超結構優(yōu)化方法的研究 （） （） （）， ， （） ， ， ， ， ， （） ?睿? ， （） ， ， 也 ： ， ， 青島科技大學研究生學位論文 符號說明 關鍵反應組分 、 反應產(chǎn)物 組分濃度， 全混流反應器 平推流反應器 個數(shù)，綱量 個數(shù)，綱量 反應速率，。

5、轉化率 體積流率， 反應時間， 反應速率常數(shù)， 配置點個數(shù)，綱量 有限元個數(shù)，綱量 狀態(tài)變量矢量 控制變量矢量， 設計約束矢量 反應器網(wǎng)絡綜臺超結構優(yōu)化方擊的研究 時間軸上有限元節(jié)點位 口 置， 口 有限元單元段長度， 瓦。 最大反應時間長度上限， 蹦 第個的體積， 平均停留時間 第個到第個 的流率， 下標 反應器 第個 第個到第個 反應器 第個反應器 出口 初始值 吒 出口 ，碼。 配置點下標 上標 變量下限 變量上限 逼近的的個數(shù) 青島科技大學研究生學位論文 前言 反應器網(wǎng)絡綜合是對反應器網(wǎng)絡整體設計與優(yōu)化，通過優(yōu)化計算找出使設計目標最優(yōu)的網(wǎng)絡?；どa(chǎn)中，反應器是整個過程中最有影響的單元

6、裝置，反應器的不同類型及其連接方式，反應器內部的結構、混合方式、進料的安排、物料的循環(huán)以及對反應熱效應的處理是影響反應器性能的關鍵，而這些都是反應器網(wǎng)絡的綜合優(yōu)化問題。所以，研究反應器網(wǎng)絡綜合為反應器工藝技術提供了理論依據(jù)；鑒于我國化工污染問題的嚴重性，反應器網(wǎng)絡綜合又是化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。 相對而言。反應器網(wǎng)絡綜合的研究還很不充分。五十年代以前很少有人針對反應器網(wǎng)絡優(yōu)化提出系統(tǒng)的方法；在五十年代到六十年代，人們對反應器網(wǎng)絡綜合的研究僅局限在單一反應器上：六十年代末七十年代初，部分學者開始研究反應器的最優(yōu)組合，以求改善整個反應系統(tǒng)的性能，但一直沒有取得明顯的進展；在八十年代之前，人們

7、對反應器網(wǎng)絡綜合的研究主要集中在有固定結構的反應器的優(yōu)化上；八十年代之后，有關反應器網(wǎng)絡綜合的論文才多了起來，并且提出一些策略和方法。 目前在反應器網(wǎng)絡綜合研究中，在不同開發(fā)階段分別采用了多種過程集成方法，主要包括直觀經(jīng)驗方法和數(shù)學規(guī)劃方法（ ）。經(jīng)驗和規(guī)則的方法是通過對反應體系反應計量學、動力學等的分析，確定在設計目標（如轉化率、產(chǎn)率等）下的最適宜的反應器類型及連接形式。但當問題的規(guī)模增加，特別是在強調經(jīng)濟性和環(huán)境性的復雜綜合目標時，經(jīng)驗方法往往不能有效解決最優(yōu)反應器系統(tǒng)設計問題，所以研究重點逐漸轉向數(shù)學優(yōu)化方法的開發(fā)，超結構法就是其中之一。一般，反應器網(wǎng)絡綜合問題本身非常復雜，用于描述該問

8、題的超結構規(guī)模會很大，而且對于復雜的反應系統(tǒng)的描述除了代數(shù)方程還需要微分方程。所以本文將從簡化反應器網(wǎng)絡超結構模型著手，從兩個不同的方面對超結構進行優(yōu)化計算。 一、建立基于的反應器網(wǎng)絡超結構，得到僅含代數(shù)方程的數(shù)學模型，根據(jù)作者提出的雙層優(yōu)化算法對該反應器網(wǎng)絡超結構進行優(yōu)化求解，通過實例來驗證該方法的有效性。 二、對含微分代數(shù)方程模型的反應器網(wǎng)絡結構，直接采用離散化策略，運用 反應器網(wǎng)絡綜合超結構優(yōu)化方法的研究離散化方法中的法將微分方程進行離散化，得到一系列代數(shù)方程，并把這些代數(shù)方程組與其它約束條件一起作為數(shù)學模型，運用數(shù)學軟件進行優(yōu)化計算，最后得到最優(yōu)的反應器網(wǎng)絡和目標函數(shù)值。 青島科技大學

9、研究生學位論文 第一章 文獻綜述過程綜合 在哲學中，為了構成較為完整的觀點或體系，將各部分或各種因素結合在一起，叫做綜合。過程系統(tǒng)綜合是過程系統(tǒng)工程學科的核心內容，指的是：按照規(guī)定的系統(tǒng)特性，尋求所需的系統(tǒng)結構及其各子系統(tǒng)的性能，并使系統(tǒng)按規(guī)定的目標進行最優(yōu)組合。在設計新建工廠時，系統(tǒng)綜合可用于從眾多的可行方案中選擇最優(yōu)流程。與過程系統(tǒng)綜合相對應的概念是過程系統(tǒng)分析，指的是：對系統(tǒng)結構及其各個子系統(tǒng)均已給定的現(xiàn)有系統(tǒng)進行分析，即建立各子系統(tǒng)的數(shù)學模型，按照給定的系統(tǒng)結構進行整個系統(tǒng)的數(shù)學模擬，預測在不同條件下系統(tǒng)的特性和行為，借以發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)并給以改進。用于過程系統(tǒng)分析的應用軟件，稱為化工模

10、擬系統(tǒng)，它也是過程系統(tǒng)綜合的重要輔助手段。系統(tǒng)綜合以系統(tǒng)分析為基礎的同時在綜合過程中又可對系統(tǒng)分析提出新的要求。 過程系統(tǒng)綜合是一個極為復雜的多目標最優(yōu)組合問題，長期以來主要靠工程師的經(jīng)驗。年代后期，美國學者首先提出了有關系統(tǒng)綜合的理論和方法，近幾十年來有關的研究工作發(fā)展很快，研究的主要課題如下： 反應路徑的綜合 換熱器網(wǎng)絡的綜合 分離序列的綜合 反應器網(wǎng)絡的綜合 全流程的綜合 公用工程系統(tǒng)的綜合 過程系統(tǒng)能量集成 在搜索最優(yōu)反應路徑的策略方面，由于問題的復雜性，采用經(jīng)驗規(guī)則較多，理論研究尚不成熟。這一研究領域是至關重要的，因為反應路徑對最終工藝過程的經(jīng)濟技術性能帶來深刻影響，一個低效率反應路

11、徑的缺陷是無法用流程結構優(yōu)化來彌補的。美國麻省理工學院與英國帝國化學公司合作開發(fā)系統(tǒng)地生成可行化學反應路徑的方法，以及以生物化學反應路徑的知識庫為基礎的專家系統(tǒng)。我國目前尚未開展這方面的研究工作。換熱器網(wǎng)絡綜合在學術上已取得重大突破，部分研究成果在 反應器剛絡綜合超結構優(yōu)化方法的研究 工業(yè)上獲得應用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。 過程綜合（ ）是化工過程系統(tǒng)工程學科的核心內容，是過程設計 中的創(chuàng)造性步驟。過程綜合概念的示意表達見圖，指的是：系統(tǒng)的輸出是指定 的（希望的），系統(tǒng)的輸入是給定的或是可允許選擇的一個范圍，要求設計者確定該 未知的過程系統(tǒng)，并達到規(guī)定目標函數(shù)的最優(yōu)：當組成該系統(tǒng)的單元特性以

12、及它們 的規(guī)格和相互間的聯(lián)接結構確定之后，則該系統(tǒng)就完全規(guī)定了。與過程綜合相對照， 過程分析（ ）是指：給定系統(tǒng)的輸入和系統(tǒng)特性，計算該系統(tǒng)的輸出。系統(tǒng)的輸入或輸出包括物料流和信息流，見圖。由上可見，一個最優(yōu)的過程系統(tǒng)的綜合包括兩種決策：是由相互作用的單元之間的拓撲和特性而規(guī)定的各種結構替換方案的選擇；二對組成該系統(tǒng)的各操作單元的替換方案的設計。從教學上講，第一種決策是一個整數(shù)規(guī)劃問題，第二種決策是一個非線性規(guī)劃問題，即過程綜合是一個高維混合整數(shù)規(guī)劃問題，而且是一個多目標優(yōu)化問題，如系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標、操作性、可控性、安全性和可靠性等。 給定或可 奠 待綜合的過程 選擇的輸 ？ ： 啊 一 圖卜

13、過程系統(tǒng)綜合的示意表達 指定的 待求的 輸入 給定的過程 輸出 圖過程系統(tǒng)分析的示意表達 過程系統(tǒng)綜合存在兩種基本情況，一是以一初始的系統(tǒng)結構為出發(fā)點，不斷改進另一是沒有初始的系統(tǒng)結構，要確定系統(tǒng)的結構和工藝參數(shù)。通常，可歸納成種基本的綜合方法。 （）分解法（ ）：其實質是把整個大系統(tǒng)分解成若干容易處理的子系統(tǒng)來解決，對每個子系統(tǒng)，在現(xiàn)有技術水平上可以進行最優(yōu)化設計，然 青島科技大學研究生學位論文后組合（協(xié)調）起來，使整個系統(tǒng)最優(yōu)。這一方法需要解決如何確定系統(tǒng)的斷裂部位和整體協(xié)調的問題。 （）直觀推斷法（ ）；有經(jīng)驗的過程設計師可憑經(jīng)驗把一些顯然不合理的組合方案排除出去，以克服設計問題維數(shù)過高

14、的困難（即縮小搜索區(qū)間）。根據(jù)人們廣泛的工程實踐經(jīng)驗和對過程深刻理解的基礎上，總結出的經(jīng)驗規(guī)則稱作直觀推斷規(guī)則。采用這些規(guī)則可以比較簡單地綜合出一個或幾個合理的流程方案，但不能保證方案的最優(yōu)性。 （）調優(yōu)法（ ），這一方法首先采用其它方法如直觀推斷法，構造一個初始的過程系統(tǒng)，然后應用一些調優(yōu)策略逐步改進初始方案。調優(yōu)法的基本思想是尋找一些子任務，這些子任務在修正后可以改善系統(tǒng)的性能。該方法尤其適用于現(xiàn)有過程系統(tǒng)的改進，一般情況都可獲得明顯效果。 （）結構參數(shù)法（ ）；基本思想是把所有可能選用的系統(tǒng)嵌入組成一個大的完整流程（稱超級結構），然后采用非線性規(guī)劃法對該系統(tǒng)進行整體優(yōu)化計算，包括設備選擇

15、、配置及操作條件等。這一方法常與直觀性推斷法相結合以提高計算效率。 上述過程系統(tǒng)綜合的基本方法都在不斷地發(fā)展和改進，往往幾種方法結合起來會更有效地用于過程綜合的不同階段。反應器網(wǎng)絡綜合反應器網(wǎng)絡綜合的研究進展 反應器網(wǎng)絡綜合是過程綜合的關鍵性子課題，指的是：已知進料條件和動力學條件，尋求適宜的反應器類型、流程結構和關鍵設計參數(shù)，以使特定的目標函數(shù)最優(yōu)。為了從生產(chǎn)的源頭控制污染和預防污染，實現(xiàn)環(huán)境友好的全流程綜合，必須盡快解決反應器網(wǎng)絡綜合這一瓶頸問題。 由于該課題的復雜性，國外有關報道相對很少，國內則剛剛起步，還處于探索階段。在五十年代到六十年代，人們對反應器網(wǎng)絡綜合的研究僅局限在單一反應器上

16、?！康谝粋€系統(tǒng)研究了化學反應器的優(yōu)化結構，他提出了以全混釜和管式反應器的最優(yōu)產(chǎn)率和選擇性為目標的層次化規(guī)則。和】利用優(yōu)化原理中的相鄰變量來研究全部混合、部分混合的效果。研究了在只有一個放熱可逆反應發(fā)生的反應器中的進料的最優(yōu)分布，目的是在給定進口轉化率、物料流率、反應器體積和催化劑量的情況下來選擇反應器的進出口和分配物流。 反應器網(wǎng)絡綜合超結構優(yōu)化方法的研究 六十年代末七十年代初，部分學者開始研究反應器的最優(yōu)組合，以求改善整個反應系統(tǒng)的性能。在己知反應動力學并且反應是絕熱可逆反應的條件下，對反應器為預熱進料，中間用旁路冷物流直接冷卻的一級管式反應器的催化劑用量最少為目標函數(shù)，進行了反應器的優(yōu)化。

17、【】利用動態(tài)規(guī)劃來決定多級串聯(lián)釜式反應器最佳操作條件和平推流反應器的最優(yōu)溫度序列以及有固定結構的多段反應器系統(tǒng)的最優(yōu)旁路和冷卻流數(shù)目。和，按不同的反應機理把反應系統(tǒng)分成不同的類別。根據(jù)機理，他們利用層次結構規(guī)則或利用直接搜索序列來尋求串聯(lián)的反應器網(wǎng)絡的最大產(chǎn)率。并提出了反應器一分離器再循環(huán)系統(tǒng)。 到了八十年代中期，計算機技術的進步和計算方法的發(fā)展，為反應器網(wǎng)絡綜臺問題提供了有利的工具，有關反應器網(wǎng)絡綜合的論文也多了起來。 】等研究了用幾何方法在等溫反應系統(tǒng)中來決定可得區(qū)，因為這個可得區(qū)包括了所有的反應器組合類型，一旦知道這個區(qū)域，優(yōu)化問題就簡單多了。 和舊】提出了反應器網(wǎng)絡的軸向擴散模型（），

18、在這個模型中反應器網(wǎng)絡包括一個有不同擴散系數(shù)的，并且最優(yōu)問題可公式化為一個非線性問題的最優(yōu)控制問題。和探討了等溫反應器最優(yōu)結構，并注意到最優(yōu)進料策略對和結構有空間二元性。既然最優(yōu)進料策略對間歇反應器有二元性，故他們推測可用和的組合來代替間歇反應器。和研究了 反應并推斷應是選擇性而不是產(chǎn)率更能描述反應器網(wǎng)絡性能，因為它能使費用最低。 和 把更新的模型用于而。他們假設一個恒定濃度的系統(tǒng)和一個逐段的恒定擴散系數(shù)。以這個模型為基礎，合成問題就可以公式化為最優(yōu)控制的非線性規(guī)劃問題。解此問題包括連續(xù)解一個序列非線性兩點邊值常微分方程和二次線性規(guī)劃問題。如果反應混合的濃度是恒定的，反應器類型由循環(huán)比來決定。它從（）到（），由這個綜合問題的數(shù)學公式可以導出一最優(yōu)控制問題，并且通過解一個常微分方程組（）和一個二次規(guī)