化工过程系统分析与合成 5 化工过程系统优化.ppt

化工过程系统分析与合成Chemical Process System Analysis and Synthesis 5 化工过程系统优化 化学工程与工艺专业 2009-2010 学年第 1 学期 5 化工过程系统优化 5.1 概述 最优化的思想并不是什么新鲜的东西。人们在从事某件事情时，总是想采取各种措施，以获得最好的结果。 最优化方法就是把求最优的问题表示成数学形式，并尽速找出其最优解的数学方法。 最优化是系统工程中的一个基本思想，因此最优化方法在系统工程的数学方法中占有重要的地位。 通过对化工过程系统的分析，可以建立过程系统的稳态和动态数学模型。这些数学模型是对实际过程系统进行模拟的基础。所谓系统仿真(或系统模拟)，实际上就是建立过程的数学模型。 对于化工过程系统来说，建立数学模型不仅仅是为了对过程进行模拟，其最终目的是要对过程进行优化。 实际上，人们对过程优化并不陌生，在化工装置的设计及操作中，人们一直都在自觉或不自觉地应用优化的概念。 如精馏塔的回流比的选择，R=（1.5～2.0）Rmin，就是最优化的经验结果。回流比太大，则热能消耗过多；回流比太小，则塔设备的板数太多；在实际生产中不断调节反应器的温度、压力以保证原料的转化率最大；确定冷、热物流的匹配方式，以便充分利用系统内部热量，降低公用工程消耗。 前两者属于参数优化问题，第三种属于结构优化问题。 过程优化 结构优化与参数优化 结构优化和参数优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。 结构优化考虑的是流程方案的优化，在多种可行方案中找出费用最小的流程结构。还要保证该方案满足安全、环保、易操作等方面的要求。 参数优化是在流程结构给定的条件下进行的，其优化对象主要是过程系统参数。实际操作中，由于各种因素的影响。工艺指标不会完全与设计值相符，且催化剂性能和设备状况会随时间发生变化，因此应根据实际情况不断调整操作条件，以满足工艺指标要求。 方法优化 不论是结构优化还是参数优化，最终目的都是为了以最小的投入获得最大的收益。对于大规模化工生产过程。生产效益己经成为关注的焦点，因此化工过程系统的优化也就变得十分重要。 除过程系统优化问题本身以外，还存在“求解方法的最优化”。 我们可以对一个问题采用不同的方法找到同一个答案。“哪一种最优化方法对这一具体问题是最有效的”，这也是一个重要的问题。 由于过程系统比较复杂，在进行优化之前。首先要分析问题属于哪种类型：是连续操作还是间歇操作，是稳态过程还是动态过程，是单目标优化还是多目标优化，是有约束问题还是无约束问题。然后选择建立何种模型进行优化：是机理模型还是统计模型或智能模型等。有了数学模型，最后要考虑用什么样的最优化方法进行求解。 总之，对于不同的系统，要确定优化问题的类型；对于同一种问题，要考虑哪种建模方法最合适；在模型求解时，要考虑哪种最优化算法最有效。 最优化问题处理方法 二次大战前，处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法和变分法。二次大战中，由于军事上的需要，提出了大量不能用古典方法解决的问题，从而产生了运筹学，它包括如线性规划、非线性规划和动态规划等。此后，最优化的理论和方法逐渐得到丰富和发展。 特别从六十年代以来，由于近代科学技术和生产的发展，以及电子计算技术的飞速发展， 使最优化技术进入了一个蓬勃发展的新时期。不仅各种方法如雨后春笋般涌现，而且应用也日益广泛，得到普遍的重视，已成为近代应用数学的重要分支。 5.2 化工过程系统优化问题基本概念 5.2.1 最优化问题的数学描述 所谓“最优化”，就是在某种给定的条件下，得到最好的结果。 在数学上，求解最优化问题就是要找到一组使某种目标函数f(x)达到最大或最小的决策变量。 因为 max｛f(x)｝=min｛－f(x)｝ 所以，求最小值的方法完全可以用于求解最大值问题，最优化也可以说成是使某种目标函数最小化。 最优化的数学通用表达式 使目标函数最小化： min f(x) = min f(x1,x2,…,xn) （5-1） 式中x1，x2，…，xn为决策变量 服从于m个不等式约束、s个等式约束 可以用紧凑形式表示为：min f(x) 服从于约束： 最优化问题的基本要素 （1）目标函数 又称性能函数、评价函数。 所谓“最优化”就要求确定一个评比优劣的指标。两组不同的决策变量值，哪一组好？哪一组差？要看它们使这个指标达到多少为评比标准。 我们的目标就是要找到决策变量使得这个指标达到最大或最小时之值。 这种指标可以是： 系统的产量最大； 系统的经济收益最大； 系统