化工優(yōu)化計(jì)算

化工優(yōu)化計(jì)算第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容1.技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)2.幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例3.過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化Companyname第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前言每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題都包含三個(gè)基本方面：至少有一個(gè)要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)（利潤(rùn)函數(shù)、費(fèi)用函數(shù)等）；等式約束；不等式約束。所謂化工優(yōu)化設(shè)計(jì)就是采用優(yōu)化方法使化工過(guò)程滿足最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。這一最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)通常是指設(shè)備或裝置的年費(fèi)用為最小。在化工設(shè)計(jì)中確定某些參數(shù)時(shí)，需要考慮對(duì)設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的影響。Companyname第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前言化工裝置的年費(fèi)用=設(shè)備費(fèi)用+操作費(fèi)用。設(shè)備費(fèi)用：一般指設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用、安裝費(fèi)用、維修費(fèi)用按折舊年限分?jǐn)偟矫磕甑某杀?。操作費(fèi)用：指每小時(shí)生產(chǎn)所需的水、電、蒸汽等費(fèi)用乘以年開(kāi)工小時(shí)數(shù)為每年的成本。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，因此可靠的定量計(jì)算需了解國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策和市場(chǎng)的價(jià)格走勢(shì)。Companyname第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行化工的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，必須要有技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)或相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。由于物資的價(jià)格特別是鋼材和能源的價(jià)格隨市場(chǎng)變化很大，所以技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)不像物性數(shù)據(jù)是固定不變的，需要根據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展不斷修正。Companyname第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（1）按設(shè)備有固定的單價(jià)CS—設(shè)備的年費(fèi)用，元；SL—設(shè)備的數(shù)量，m2（或m3或kg）；DJ—設(shè)備的單價(jià)，元/m2（或元/m3或元/kg）；DJ—設(shè)備折舊費(fèi)，1/年；f—相關(guān)的校正系數(shù)。Companyname第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計(jì)算φ—設(shè)備尺寸的函數(shù)。根據(jù)不同的設(shè)備有不同的函數(shù)形式。如管殼式換熱器的計(jì)算公式為：AL—換熱器的傳熱面積，m2；a、b—設(shè)備的回歸系數(shù)。Companyname第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計(jì)算換熱器形式回歸系數(shù)壓力校正系數(shù)f1材質(zhì)校正系數(shù)f2ab0.6MPa1.0MPa1.6MPa2.5MPa管程1Cr18Ni9Ti管程殼程均1Cr18Ni9Ti固定管板3340.730.890.9211.126.59.5浮頭式2760.811.056.59.5Companyname第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計(jì)算碳鋼塔板的精餾塔計(jì)算公式為：f1—美元對(duì)人民幣的匯率；

f2—塔板因子系數(shù)，浮閥塔板取1，篩板塔板取0.85，泡罩塔板取1.59；

f3—板數(shù)因子，N>20時(shí)取1，

N<20時(shí)由f3=2.25/1.0414N計(jì)算；N—實(shí)際塔板數(shù)；D—塔徑，m。Companyname第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)操作費(fèi)用CC—操作的年費(fèi)用，元；

DS

—水的單價(jià)，元/m3；

qW

—水的耗量，m3/h；DZ

—蒸汽的單價(jià)，元/m3；WZ

—蒸汽的耗量，kg/h；DD

—電的單價(jià)，元/(kW·h)；E—設(shè)備的動(dòng)力消耗，kW；τ—年開(kāi)工小時(shí)，h。Companyname第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例求解優(yōu)化問(wèn)題的方法往往根據(jù)條件的不同而各有差異。如目標(biāo)函數(shù)只涉及一個(gè)變量，稱為單變量?jī)?yōu)化問(wèn)題，否則為多變量問(wèn)題。這里介紹的化工單元操作的優(yōu)化，都是單變量的優(yōu)化問(wèn)題。Companyname第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的設(shè)計(jì)管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)出使整個(gè)管路的設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)的年成本最小的管徑，對(duì)高壓管路和遠(yuǎn)距離管線的設(shè)計(jì)尤其重要。管路特性方程泵的電機(jī)輸入功率Companyname第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的設(shè)計(jì)管路質(zhì)量：m

—管材質(zhì)量，kg；δ

—管壁厚度，m；ρm

—管材的密度，kg/m3；F—單位質(zhì)量直管的管件折價(jià)數(shù)，一般為1.4~6.75。Companyname第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的設(shè)計(jì)費(fèi)用方程：CZ—管路系統(tǒng)年總費(fèi)用；DJ

—管路單位質(zhì)量的價(jià)格（包括安裝和維修等費(fèi)用）。因此：管路系統(tǒng)的年總費(fèi)用CZ是管徑d的函數(shù)。Companyname第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的設(shè)計(jì)（1）極值法：目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)等于0?？梢酝ㄟ^(guò)迭代上述方程求解管徑d，即為最佳管徑，但該管徑需根據(jù)管材規(guī)格進(jìn)行圓整。（2）窮舉法：把不同的管徑（按管材的規(guī)格）逐一代入費(fèi)用方程，可以得到CZ?d的列表函數(shù)，即可方便地得到最佳的管徑。Companyname第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例換熱器冷卻水出口溫度的優(yōu)化

用冷卻水冷卻某工藝熱流體，當(dāng)換熱器的傳熱量為已知，水的進(jìn)口溫度一定時(shí)，根據(jù)傳熱計(jì)算可知：冷卻水出口溫度的高低將影響傳熱溫度差及換熱面積，即影響設(shè)備費(fèi)用；同時(shí)冷卻水的出口溫度又影響冷卻水的用量即操作費(fèi)用。所謂最佳冷卻水出口溫度就是在此溫度下，換熱器的設(shè)備和操作的年費(fèi)用最小。Companyname第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例換熱器冷卻水出口溫度的優(yōu)化由熱量衡算和傳熱速率：Companyname第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例換熱器冷卻水出口溫度的優(yōu)化費(fèi)用方程：CZ—換熱器年總費(fèi)用；DJ

—換熱器單位面積的費(fèi)用（包括安裝和維修等費(fèi)用）。DS

—每千克冷卻水費(fèi)用（包括動(dòng)力費(fèi)用）。ZJ

—換熱器的折舊率，1/年；τ

—換熱器年工作小時(shí)，h。因此：管路系統(tǒng)的年總費(fèi)用CZ是管徑t2的函數(shù)。Companyname第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例換熱器冷卻水出口溫度的優(yōu)化（1）極值法：目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)等于0?？梢酝ㄟ^(guò)迭代上述方程求解t2，即為最佳冷卻水出口溫度。（2）窮舉法：把不同的出口溫度t2代入費(fèi)用方程，可以得到CZ?t2的列表函數(shù)，即可方便地得到最佳冷卻水出口溫度。上述計(jì)算對(duì)K作為常數(shù)考慮，如把K也作為t2的函數(shù)，則計(jì)算難度將增加。Companyname第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳回流比的確定回流比是精餾塔設(shè)計(jì)和操作的重要參數(shù)，回流比的大小直接影響精餾塔的能耗及塔板的直徑和數(shù)量。以常規(guī)精餾塔（泡點(diǎn)加料）為例。Companyname第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳回流比的確定塔頂全凝器的冷凝熱負(fù)荷為：塔底再沸器的汽化熱負(fù)荷為：γC,γR—塔頂蒸氣、塔底蒸氣的摩爾汽化熱，kJ/kmol；WZ

—飽和水蒸氣用量，kg/h；γ—加熱蒸氣的汽化熱，kJ/kg。Companyname第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳回流比的確定Gilliland關(guān)聯(lián)方程?。篊ompanyname第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳回流比的確定塔板直徑應(yīng)為氣液負(fù)荷的復(fù)雜函數(shù)，現(xiàn)采用一種簡(jiǎn)單的形式代入Companyname第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳回流比的確定費(fèi)用方程：DZ

—蒸汽的單價(jià)，元/kg；DS

—水的單價(jià)，元/m3；Companyname第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳回流比的確定當(dāng)D、Rm、Nm、p和T等為已知值，其他的物性和經(jīng)濟(jì)參數(shù)也為已知值時(shí)，精餾塔的年費(fèi)用CZ是R的函數(shù)，最佳操作R同樣可以通過(guò)極值法和窮舉法求得。Companyname第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展使人們認(rèn)識(shí)到，要把一個(gè)裝置作為整體來(lái)考慮，使之能耗最小、年費(fèi)用最小和環(huán)境污染最小，達(dá)到整體設(shè)計(jì)的優(yōu)化，稱為過(guò)程的集成。通常在同一裝置內(nèi)有多股物料需要加熱，另有多股物料需要冷卻。如果把這些物料相互匹配，使熱流體放出的熱量提供給冷流體加熱，這樣可以大大減少加熱蒸汽和冷卻水的耗量，使能量利用率大為提高。過(guò)程集成中目前最實(shí)用的方法是夾點(diǎn)技術(shù)。Companyname第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化溫焓圖和復(fù)合曲線根據(jù)熱量衡算可知，溫度上升即流體的焓值增加，當(dāng)流體的比熱容為常數(shù)時(shí)可寫(xiě)為：溫焓圖直線的斜率為1/(qm1cP1)。Companyname第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化溫焓圖和復(fù)合曲線

復(fù)合溫焓圖Companyname第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化夾點(diǎn)和換熱系統(tǒng)的集成Companyname第29頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化夾點(diǎn)和換熱系統(tǒng)的集成Companyname第30頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化夾點(diǎn)和換熱系統(tǒng)的集成Companyname第31頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化系統(tǒng)熱集成的目標(biāo)函數(shù)熱復(fù)合曲線和冷復(fù)合曲線的相互位置決定了夾點(diǎn)溫差，同時(shí)也確定了需要換熱器的個(gè)數(shù)、傳熱面積的大小及冷卻水和加熱蒸汽的耗量。系統(tǒng)熱集成的目標(biāo)函數(shù)有多種選擇。其中以年費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)的形式如下：Companyname第32頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化系統(tǒng)熱集成的目標(biāo)函數(shù)

年費(fèi)用為夾點(diǎn)溫差的函數(shù)，其計(jì)算步驟如下：（1）輸入已知條