06化工系統(tǒng)綜合與優(yōu)化4-系統(tǒng)綜合1.-課件

第一部分過程系統(tǒng)集成第三章 其它過程系統(tǒng)綜合方法 一、 分開序列綜合二、 質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)綜合三、 反應(yīng)路徑綜合四、 反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合 一、分開序列的綜合 分開序列的綜合定義如下： 給定入料流股的條件〔包括組成、溫度、流率、壓力〕，通過一定的方法綜合成要求的產(chǎn)品，而且能使總費(fèi)用最?。? 上述問題可以表示為一個(gè)混合整數(shù)非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題。它包括兩方面的內(nèi)容：尋求最優(yōu)分開序列；尋求每個(gè)分開單元的最優(yōu)制定變量〔尺寸、操作條件〕。清華大學(xué)化學(xué)工程系過程工程與生態(tài)工業(yè)研究中心

滿足輸入輸出要求有多種系統(tǒng)，性能不同。如分開問題： ABCD→A/B/C/D，共有多少種方法？

A/BCD AB/CD ABC/D

B/CDBC/D→C/D→B/CA/BCAB/CA/B C/D→A/B→B/C1.基本概念〔一〕簡(jiǎn)單銳分開器〔SimpleSharpSeparator) 所謂簡(jiǎn)單銳分開器，就是只有一股入料流股，兩股產(chǎn)品流股，且入料流股中的每個(gè)組分僅存在于某一個(gè)產(chǎn)品流股中的分開器。例如，一個(gè)一般的兩產(chǎn)品精餾塔，其相鄰輕重關(guān)鍵組分的回收率非常高，則該精餾塔就屬于銳分開器?！捕稠樞虮怼睷ankedList〕 在討論分開序列的綜合方法時(shí)，人們常常采納順序表把入料的組分按照一定的規(guī)律排列起來(lái)。排列遵循的依據(jù)主要是與分開有關(guān)的物性值，例如：組分的沸點(diǎn)〔蒸餾〕；溶解度〔萃取〕；固體粒度〔篩分〕；組分揮發(fā)度〔蒸餾、萃取〕。例如，入料混合物條件如下：代表符號(hào)組分正常沸點(diǎn),摩爾流量，mol/hA氫－25318B甲烷－1615C乙烯－10424D乙烷－8815E丙烯－4814F丙烷－426G重組分－18按組分大小可以排成順序表：或(三〕可能的分開序列數(shù) 分開序列的綜合是一個(gè)復(fù)雜的組合問題。 一般來(lái)說，采納S種分開方法〔簡(jiǎn)單銳分開〕把N組分混合物分開成N個(gè)純組分的分開問題，可能的分開序列數(shù)F可用下式計(jì)算：組分?jǐn)?shù)N分離方法數(shù)S分離序列數(shù)F312328511453113462134491143095558593750101486211116792 分開序列綜合的目的是從可能的分開序列中尋求滿足一定性能指標(biāo)和約束的最優(yōu)序列。然而，實(shí)際分開問題的可能分開序列數(shù)往往很大，要從中選出最有序列是十分困難的。因此，人們提出了種種分開方法以盡量縮小搜索空間，提升綜合過程的效率。〔四〕可能的子分開問題 每個(gè)子分開問題與一個(gè)實(shí)際分開單元相對(duì)應(yīng)，分開序列是分開子問題的不同組合形式。關(guān)于四組分混合物分開成四個(gè)純組分的分開問題，采納一種分開方法時(shí)，可能存在的分開子問題一共有十個(gè)：四組分分開三組分分開兩組分分開 用一種分開方法，把N組分混合物分開成N個(gè)純組分的分開問題，所包括的分開子問題數(shù)R可用下式計(jì)算：〔五〕判別指標(biāo) 年度費(fèi)用〔設(shè)備折舊費(fèi)＋操作費(fèi)〕推斷指標(biāo) 兩種較為簡(jiǎn)單的判別指標(biāo)： 易分開系數(shù)〔CES〕 分開難度系數(shù)〔CDS〕。 易分開系數(shù)值越大，表示輕、重關(guān)鍵組分越易被分開，所必需分開費(fèi)用一般也較低。 分開難度系數(shù)越小，表示輕、重關(guān)鍵組分越易被分開。〔六〕分開序列的綜合方法 有關(guān)分開序列的綜合方法的文獻(xiàn)很多，這些方法大體可以分為三類：數(shù)學(xué)規(guī)劃法探試法調(diào)優(yōu)法

數(shù)學(xué)規(guī)劃法和探試法適用于無(wú)初始方案下的分開序列綜合。探試法得到的分開序列有時(shí)是局部最優(yōu)解。因此，其中大多數(shù)方法必需與調(diào)優(yōu)法結(jié)合，派生出一些方法，如探試調(diào)優(yōu)法。調(diào)優(yōu)法只適用于有初始方案下的綜合問題。初始方案的產(chǎn)生可依賴于探試法或現(xiàn)有生產(chǎn)流程。調(diào)優(yōu)法更合適于對(duì)老廠技術(shù)改造和挖潛革新。2.數(shù)學(xué)規(guī)劃法 數(shù)學(xué)規(guī)劃法具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，理論上是嚴(yán)格的，但是，它們基本上都具有計(jì)算量大和陷入局部最優(yōu)的弱點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，往往通過某些探試法則來(lái)縮小搜索空間，減小搜索時(shí)間。 屬于數(shù)學(xué)規(guī)劃法的分開序列綜合方法大概有如下幾種：〔一〕動(dòng)態(tài)規(guī)劃法〔Hendry和Hughes,1972)〔二〕分枝界限法〔Westerberg和Stephanopoulos,1975〕〔三〕有序分枝搜索法〔Gomez和Seader，1975〕〔四〕有序搜索法〔Gomez和Seader，1976〕〔一〕動(dòng)態(tài)規(guī)劃法 依據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，如果一個(gè)分開序列是最優(yōu)的，則綜合分開序列的各步?jīng)Q策也必定是最優(yōu)的。 用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法綜合分開序列，首先要找出可能存在的分開子問題。例如，對(duì)一個(gè)四組分混合物(ABCD)，依據(jù)它們的性質(zhì)差別排出一個(gè)順序表〔此處按沸點(diǎn)升高的順序排為ABCD〕。假設(shè)分開的目標(biāo)產(chǎn)物為四個(gè)純組分(A)、(B)、(C)、(D)，則有如下分開子問題：四組分分開子問題： (A/BCD),(AB/CD),(ABC/D〕三組分分開子問題： (A/BC),(AB/C),(B/CD),(BC/D)兩組分分開子問題： (A/B),(B/C),(C/D) 斜線“/〞表示分開點(diǎn)的位置；A、AB、ABC等稱為子群，表示分開序列中可能存在的物流組成。第一步：在不同的進(jìn)料條件下，計(jì)算兩個(gè)組分分開子問題的分開費(fèi)用；不同的分開方法〔如一般精餾和萃取精餾〕分別計(jì)算其最小分開費(fèi)用；選用其中最低的作為該分開子問題的費(fèi)用，供綜合三組分分開序列時(shí)使用。第二步：在不同的進(jìn)料條件下計(jì)算個(gè)三組分分開子問題的費(fèi)用；再加上最優(yōu)的兩組分分開子問題的費(fèi)用，便可得到三組分分開序列的費(fèi)用；選取最低者作為三組分分開的最優(yōu)分開序列，供四組分分開序列綜合用。第三步：同樣，計(jì)算出四組分分開子問題的費(fèi)用；與三組分最優(yōu)分開序列的費(fèi)用相加，得到四組分分開序列的總費(fèi)用；選出最優(yōu)者，即為最優(yōu)的四組分分開序列。〔二〕分枝界限法 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法必需要檢驗(yàn)全部分開子問題，而分枝界限法不必搜索全部分開子問題就可找到最優(yōu)分開序列，從而使搜索空間進(jìn)一步縮小。 分枝界限法包括三部分內(nèi)容：利用順序表導(dǎo)出所有可能的分開子問題和有分開序列構(gòu)成的樹構(gòu)造基本分開序列，并計(jì)算其對(duì)偶和初始界限分枝搜索最優(yōu)分開序列〔三〕有序分枝搜索法與有序搜索法 Rodrigo和Seader〔1975〕提出有序分枝搜索法。 Gamez和Seader〔1976〕提出了有序搜索法。3.探試法 探試法則較輕的組分優(yōu)先分開〔組分從塔頂逐一分開出來(lái)〕最難分開的組分最后分開傾向于一分為二的分開盡量使分開單元內(nèi)上升的汽相流率最小產(chǎn)品純度要求高的分開放在最后將流量最大的組分優(yōu)先分開選用費(fèi)用最低的分開器作為下一個(gè)分開優(yōu)先分開熱穩(wěn)定性差、具有腐蝕性或毒性的組分易于分開的組分優(yōu)先分開關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度小于最小容許值時(shí)，不可采納一般精餾傾向于采納產(chǎn)物組最少的分開序列避免采納必需質(zhì)量分開劑的分開方法假設(shè)分開器中采納了質(zhì)量分開劑，應(yīng)在其后的分開器中馬上除去用質(zhì)量分開劑的分開方法不能用于分開另一質(zhì)量分開劑傾向于采納一般精餾可能發(fā)生反應(yīng)的組分應(yīng)優(yōu)先移出預(yù)先指定關(guān)鍵組分的回收分率避免采納極端操作條件傾向采納常規(guī)操作壓力 一般來(lái)說，探試法不能確保得到最優(yōu)分開序列，通常還要輔以調(diào)優(yōu)法或其他方法，以求得最優(yōu)分開序列。然而，如果探試法使用得當(dāng)，則不必需要過多的計(jì)算便可迅速獲得接近最優(yōu)的分開序列。 Nadgir和Liu〔1983〕提出有序探試法，是一種較好的分開序列綜合方法。4.調(diào)優(yōu)法 調(diào)優(yōu)法原理 所謂調(diào)優(yōu)法就是按照一定的調(diào)優(yōu)規(guī)則和策略對(duì)某一初始分開序列進(jìn)行逐步改善而搜索最優(yōu)分開序列的一種方法。該法包括三個(gè)方面的內(nèi)容：建立初始分開序列確定調(diào)優(yōu)規(guī)則制定調(diào)優(yōu)策略 調(diào)優(yōu)法搜索空間相對(duì)而言還是很大的。Seader和Westerberg〔1977〕，Nath和Motard〔1981〕的調(diào)優(yōu)法相對(duì)來(lái)說計(jì)算量較小，從初始序列到最優(yōu)序列只必需評(píng)比三、四個(gè)中間序列。〔一〕 問題描述〔二〕 研究方法〔三〕 實(shí)例分析二、質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)〔一〕問題描述 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)集成問題可描述如下： 有幾種貧液L={Li|i=1,2,3...NS}，已知它們的價(jià)格和各組分的入口濃度和出口濃度上限；現(xiàn)有一系列的富液R={Rj|j=1,2,3...NR}，已知其流率和各組分入口，要求出口濃度達(dá)到一定目標(biāo)；建立一個(gè)質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)，求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最小投資費(fèi)用。在換熱網(wǎng)絡(luò)中，熱力學(xué)平衡由溫度決定，冷熱物流溫度相等時(shí)即為平衡點(diǎn)；在質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)中，溶質(zhì)、溶劑體系的相平衡特性控制著溶質(zhì)在兩相中的分配。由于傳熱、傳質(zhì)過程的類似性，夾點(diǎn)技術(shù)也可以應(yīng)用到質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)中。El-Halwagi和Manousioutakis〔1989〕首次將夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用到質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)中,提出了組合濃度曲線。縱坐標(biāo)為傳質(zhì)量，橫坐標(biāo)表示富液濃度Yp、兩個(gè)相應(yīng)的貧液濃度Xp,1Xp,2。最小傳質(zhì)濃度差為ε，富液與貧液濃度滿足平衡關(guān)系式。

〔二〕研究方法1、夾點(diǎn)法2、超目標(biāo)法3、超結(jié)構(gòu)法4、狀態(tài)空間法5、遺傳算法 多組分的問題夾點(diǎn)法以貧液、富液的濃度對(duì)傳質(zhì)量作圖，得出組合傳質(zhì)量曲線，由此曲線確定系統(tǒng)夾點(diǎn)所在。傳質(zhì)量為0處為夾點(diǎn)，并得出熱力學(xué)第二定律所限制的最小貧液量。與換熱網(wǎng)絡(luò)不同，在傳質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，不但平衡關(guān)系復(fù)雜，而且貧液、富液的濃度要通過平衡關(guān)系轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一標(biāo)度。得到最小貧液流量后，還必需要確定系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采納與換熱網(wǎng)絡(luò)的相似的原則，來(lái)綜合質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)。用夾點(diǎn)法綜合傳質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，關(guān)于夾點(diǎn)四