（化学工程专业论文）甲醇合成流程的仿真研究.pdf

浙江大学工程硕士学位论文 摘要 上海焦化有限公司年产2 0 万吨的大型低压甲醇生产装置是我国目前最大的甲醇生产 装置，其中，甲醇合成工序在甲醇生产中处于一个核心地位。本文分别以a s p e np l u s 和 基于m a t l a b 的多层前馈神经元网络为工具软件，根据上海焦化2 0 万吨年甲醇装置的实 际设计生产情况，为其建立合理的甲醇合成流程仿真模型，获得对生产过程管理有指导 意义的信息，用于甲醇合成生产过程的现场仿真研究，从而达到提高产率、降低能耗、 稳定生产，进而取得更大的经济效益的目的。 本文完成的主要工作及取得的相关成果有： ( 1 ) 用a s p e np l u s 软件建立的甲醇合成模拟模型可以反映甲醇合成系统的实际情 况，该模型能够用于甲醇合成流程的模拟计算。 ( 2 ) 基于m a t l a b 软件对甲醇合成过程建立了多层前馈神经元网络，根据已有的生产数 据对甲醇产品质量分率进行了预报，预报值与生产实测值相对误差很小，表明所 建的多层前馈神经元网络是成功的，可用于指导生产。 ( 3 ) 利用a s p e n 软件中的灵敏度分析工具在已建模型的基础上，对各主要操作参数 ( 合成压力、循环比、新鲜气中惰性气体含量，水冷器出口温度、新鲜气中的氢 碳比) 对合成反应过程的影响进行了分析，同时利用训练好的多层前馈神经元网 络也对主要操作参数( 合成压力、新鲜气中惰性气体含量、新鲜气中氨气含量) 对甲醇合成过程进行了趋势分析，结果都表明各影响趋势能较好地反映甲醇合成 机理的实际情况： 在一定的范围内，压力的提高、循环比的增大、新鲜气中惰性气体含量降低、水 冷器出口气体温度降低、氢碳比降低分别对提高甲醇产量和降低新鲜气消耗有利。 关键词：甲醇合成流程a s p e np l u sm a t l a b 多层前馈神经元网络流程模拟模拟分析 浙江大学工程硕士学位论文 2 0 0 、0 0 0 飞腿m e t h a n o lp r o d u c t i o nu n i ti ns h a n g h a ic o k i n ga n dc h e m i c a l c o r p o r a t i o ni so n eo ft h eb i g g e s tm e t h a n o lp r o d u c t i o nu n i ti nc h i n aa tp r e s e n t ， a n dm e t h a n o l s y n t h e s i sp r o c e s s i st h em o s t i m p o r t a n ts t e p i nm e t h a n o l p r o d u c t i o n i nt h i sp a p e rih a v eu t i l i z e da s p e np l u sa n dm u l t i l a y e r e df o r w a r d a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kb a s e do nm a t l a ba sm o d e l i n gt o o l s r e s p e c t i v e l yt o e s t a b l i s hr e a s o n a b l ep r o c e s ss i m u l a t i o nm o d e l ss p e c i a l l yf o rs h a n g h a ic o k i n g s m e t h a n o ls y n t h e s i sp r o c e s s ，s ot h a tw ec o u l dg e tt h eu s e f u li n f o r m a t i o nf o ra c t u a l p r o d u c t i o n ，m o r e o v e rw ec o u l dg a i nt h eo b j e c t i v eo fr a i s i n gy i e l d ，d e c r e a s i n g e n e r g y c o n s u m p t i o n ，s t a b i l i z i n g p r o d u c t i o n a n da c h i e v i n gm o r ee c o n o m i c b e n e f i t s m a i ns t u d i e sa n dm a i na c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 、t h em e t h a n o ls y n t h e s i ss i m u l a t i o nm o d e lw h i c hw a se s t a b l i s h e dw i t ha s p e n p l u ss o f t w a r ec a nr e f l e c tt h ea c t u a ls i t u a t i o no fm e t h a n o ls y n t h e s i ss y s t e m ，a n d t h i sm o d e lc a nb ea p p l i e dt ot h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rm e t h a n o ls y n t h e s i s p r o c e s s 2 、m u l t i - l a y e r e df o r w a r dn e u r a ln e t w o r kh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b s o f t w a r ef o rm e t h a n o ls y n t h e s i sp r o c e s s t h e nt h em u l t i l a y e r e df o r w a r dn e u r a l n e t w o r kw a su s e dt op r e d i c tt h em a s s - f r a c t i o no fm e t h a n o lp r o d u c ta c c o r d i n gt o t h ee x i s t i n gp r o d u c t i o nd a t a s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e n p r e d i c t i o nv a l u ea n dp r o d u c t i o nv a l u ei sv e r ys m a l l ，s ot h a tw ec o u l dd r a w t h e i i c o n c l u s i o nt h a tt h ee s t a b l i s h e dm u l t i - l a y e r e dn e u r a ln e t w o r ki sr e a s o n a b l e ，a n d c a nb ea p p l i e dt og u i d ep r o d u c t i o n 3 、b a s e do nt h et w oa b o v e - m e n t i o n e ds i m u l a t i o nm o d e l ，t h ei n f l u e n c e so fs o m e m a j o ro p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha so p e r m i n gp r e s s u r e ，r e c y c l i n gr a t i o ，i n e r tg a s c o n c e n t r a t i o ni nf e e dg a s ，t h eo u t l e tg a st e m p e r a t u r eo fc o o l e ra n dh cr a t i oi n f e e dg a so nm e t h a n o ls y n t h e s i sp r o c e s sh a v ea l s ob e e na n a l y z e d ，t h er e s u l tc a n w e l lr e f l e c tt h ea c t u a l s i t u a t i o no fm e t h a n o ls y n t h e s i sm e c h a n i s m ，w h i c hc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ：w i t h i nc e r t a i nr a n g et h eh i g h e rp r e s s u r ea n dh i g h e r r e c y c l er a t i o ，t h el o w e ri n e r tg a sc o n c e n t r a t i o ni nt h ef e e da n dl o w e ro u t l e tg a s t e m p e r a t u r eo fc o o l e ra r ef a v o r a b l et oi n c r e a s em e t h a n o ly i e l da n dr e d u c ef e e d c o n s u m p t i o n k e y w o r d s ： m e t h a n o l ，s y n t h e s i sp r o c e s s ，a s p e np l u s ，m a t l a b ， m u l t i l a y e r e d f o r w a r dn e u r a l n e t w o r k ，p r o c e s ss i m u l a t i o n ，a n a l y s i s o nt h e s i m u l a t i o nr e s u k s i i i 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 甲醇是重要的化工原料，其分子式为c h 3 0 h ，常温、常压下纯甲醇是无色透明的、 易流动、易挥发的可燃液体，具有与乙醇相似的气味。甲醇可以与水及多数有机溶剂混 溶，它易于吸收水蒸气、二氧化碳和某些其它物质。目前，甲醇工业迅速发展，由于甲 醇是多种有机产品的基本原料和重要的溶剂，广泛用于有机合成染料、医药、涂料和国 防工业。作为有机化工原料，主要用来生产甲醛、甲基叔丁基醚( m t b e ) 、醋酸、甲酸甲 酯、氯甲烷、甲胺、硫酸二甲酯、丙烯酸甲酯和二甲醚等有机化工产品；其消费量仅次 于乙烯、丙烯和苯，是一种很重要的大宗化工产品。 近年来，随着科学技术飞速发展和能源结构的改变，甲醇又开辟了许多新的用途。 例如是较好的人工合成蛋白原料，是容易输送的清洁燃料。目前甲醇的消费已超过其传 统用途，潜在的耗用量远远超过其它化工用途，渗透到国民经济的各个部门。特别是随 着世界能源结构的改变，利用甲醇的特殊性质，是一种耐污染、辛烷值高的汽一柴油掺 混或代用燃料和大功率燃料电池的燃料。其许多重要的工业用途，也已引起世界科技人 员高度重视且正在迅速研究开发中，例如裂解制氢，用于燃料电池；转化为汽油，将为 固体燃料转化为液体燃料开辟途径；裂解制烯烃，加氢制乙醇等，甲醇极有希望替代石 油燃料作石油化工原料，蕴藏着潜在的庞大市场，所以我国甲醇工业必将迅速发展。 近十多年来，随着世界甲醇合成技术的不断飞速发展，在其原料结构、工艺路线、 生产规模、节能降耗、软件技术、催化剂开发和应用，以及自动控制等各个领域都有了 新的突破。 本论文研究课题的主要内容：上海焦化有限公司年产2 0 万吨的大型低压甲醇生产装 置是我园目前最大的生产装置，也是三联供工程的主要装置之一。其中，甲醇合成工序 在甲醇生产中处于一个核心地位。本课题将分别以a s p e n p l u s 和基于m a a b 的多层前馈 神经元网络为工具软件，根据上海焦化2 0 万吨，年甲醇装置的实际设计生产情况，建立 合理的甲醇合成流程仿真模型，再应用实际生产装置的现场数据对模型参数进行整定， 使所建模型能够很好地表达实际生产装置的情况，同时模拟计算主要影响操作参数如甲 醇合成压力和水冷器出口温度、氢碳比、新鲜气中惰性气体含量、循环比等对甲醇合成 过程的影响，获得对生产过程管理有指导意义的信息，可用于甲醇合成生产过程的现场 仿真研究，从而达到提高产率、降低能耗、稳定生产，进而取得更大的经济效益的目的。 l 浙江大学工程硕士学位论文 1 2 甲醇合成过程的研究现状 1 2 1甲醇合成塔的研究现状 甲醇合成反应器是甲醇生产的心脏设备。设计合理的甲醇合成塔应做到催化床的温 度易于控制，调节灵活，合成反应的转化率高，催化剂生产强度大，能从较高位能回收 反应热，床层中气体分布均匀，低压降：在结构上要求简单紧凑，高压空间利用率高， 高压容器及内件间无泄漏，催化剂装卸方便；在材料上要求具有抗羰基化物的生成及抗 氢脆的能力；在制造、维修、运输、安装上要求方便。 甲醇合成反应是一个可逆的放热反应，反应热效应大，为使反应始终处于较高的速 度下，必须及时移走反应热，相应降低反应混合物的温度，使催化床层达到最大的生产 能力。而且目前甲醇合成大都采用铜基催化剂，铜基催化剂的耐热性较差，因此甲醇合 成塔催化床的温度控制就显得特别重要。 为了移走甲醇合成的反应热，国内外设计开发了多种类型的甲醇合成塔l4 1 ，设计了 各种冷却方式的合成塔内件由单段到多段，由轴向流动到径向及轴径向流动，以及各种 冷管型、冷激型等。如：i c i 多段段间冷激型甲醇合成反应器、l u r g i 管壳型甲醇合成塔、 三菱( m g c m m ) m 艺反应器、t o p s o e 径向流动甲醇合成反应器、m r f ( t e c ) 多段径向流 动甲醇合成反应器。 另外，国内正在开发新型的甲醇合成反应器【3 】，如气相法甲醇合成反应器有：多段径 向冷激型甲醇合成塔、绝热一管束型甲醇合成反应塔、g s s t f r ( 气一固一固滴流流动反 应器) 、r s i p r ( 级间产品脱除反应器) 、气一液相并存式反应器；液相法甲醇合成反应器 有：三相浆态床甲醇合成反应器、滴流床甲醇合成反应器、超临界相合成甲醇反应器。 近些年来，国内外许多专家对甲醇合成过程进行了大量的研究，尤其集中在甲醇合 成塔上，他们针对各种类型的甲醇合成塔，根据自己研究问题的需要，建立了拟均相或 非均相、一维或二维、单速率或双速率等不同的模型，对各种类型的甲醇塔进行了模拟、 优化设计等研究工作。以下是对甲醇合成反应及甲醇合成塔进行研究的一些例子。 ( 1 ) g r a a f b e e n a c k e r s 等【5 】在内循环无梯度反应器中研究了m k i o i 型铜基催化剂甲醇 合成反应动力学。宋维端、朱炳辰等 6 - 8 1 研究了国产c 3 0 1 催化剂上一氧化碳、二氧化碳 合成甲醇平行反应本征动力学与宏观动力学，获得了5 m p a 压力下甲醇合成反应双速率 本征及宏观动力学方程，颗粒催化剂上的宏观反应速率也可用内扩散效率因子与本征反 应速率的乘积来表示。 ( 2 ) 华东理工大学化学工程系应卫勇、房鼎业、朱炳辰等对c 3 0 2 催化剂上甲醇合成 浙江太学工程硕士学位论文 1 2 甲醇合成过程的研究现状 1 2 1 甲醇合成塔的研究现状 甲醇合成反应器是甲醇生产的心脏设备。设计合理的甲醇合成塔应做到催化床的温 度易于控制，调节灵活，合成反应的转化率高，催化剂生产强度大，能从较高位能回收 反应热，床层中气体分布均匀，低压降：在结构上要求简单紧凑，高压空问利用率高， 高压容器及内件间无泄漏，催化剂装卸方便；在材料上要求具有抗羰基化物的生成及抗 氢脆的能力；在制造、维修、运输、安装上要求方便。 甲醇台成反应是一个可逆的放热反应，反应热效应大，为使反应始终处于较高的速 度f ，必须及时移走反应热，相应降低反应混合物的温度，使催化床层达到最大的生产 能力。而且目前甲醇合成大都采用铜基催化剂，铜基催化剂的耐热性较差，因此甲醇合 成塔催化床的温度控制就显得特别重要。 为了移走甲醇合成的反应热，国内外设计开发了多种类型的甲醇合成塔【4 】，设计了 各种冷却方式的合成塔内件由单段到多段，由轴向流动到径向及轴径向流动，以及各种 冷管型、冷激型等。如：i c i 多段段间冷激型甲醇合成反应器、l u r g i 管壳型甲醇合成塔、 三菱( m g c m h l ) i 艺反应器、t o p s o e 径向流动甲醇合成反应器、m r f ( t e c ) 多段径向流 动甲醇台成反应器。 另外，国内正在开发新型的甲醇合成反应器p j ，如气相法甲醇合成反应器有：多段径 向冷激型甲醇合成塔、绝热一管束型甲醇合成反应塔、o s s t f r ( 气一固一固滴流流动反 应器) 、r s i p r ( 级问产品脱除反应器) 、气一液相并存式反应器；液相法甲醇合成反应器 有：三相浆态床甲醇合成反应器、滴流床甲醇合成反应器、超i 临界相合成甲醇反应器。 近些年来，国内外许多专家对甲醇合成过程进行了大量的研究，尤其集中在甲醇合 成塔上，他们针对各种类型的甲醇合成塔，根据自己研究问题的需要，建立了拟均相或 非均相、一维或二维、单速率或双速率等不同的模型，对各种类型的甲醇塔进行了模拟、 优化设计等研究工作。以下是对甲醇合成反应及甲醇合成塔进行研究的一些例子。 ( 1 ) o r m f f , b e e n a c k e r s 等口1 在内循环无梯度反应器中研究了m k l 0 1 型铜基催化荆甲醇 合成反应动力学。朱维端、朱炳辰等卜”研究了国产c 3 0 1 催化剂上一氧化碳、- - 氧化碳 合成甲醇平行反应本征动力学与宏观动力学，获得了5 m p a 压力下甲醇合成反应双速率 本征及宏观动力学方程，颗粒催化剂上的宏观反应速率也可用内扩散效率因子与本征反 应速率的乘积来表示。 ( 2 ) 华东理工大学化学工程系应卫勇、房鼎业、朱炳辰等对c 3 0 2 催化剂上甲醇合成 ( 2 ) 华东理工大学化学工程系应卫勇、房鼎业、朱炳辰等对c 3 0 2 催化剂上甲醇合成 浙江大学工程硕士学位论文 反应宏观动力学进行了研究，在内循环无梯度反应器中测定了低压甲醇合成反应宏观动 力学【9 】。实验采用巾5 m m x5 m m 圆柱状颗粒催化剂，实验压力5 m p a ，反应温度2 1 5 2 6 0 。以双曲型动力学方程建立了以各组分逸度表示的c o 、c 0 2 加氢合成甲醇的双速率宏 观动力学模型，并用改进高斯一牛顿法根据实验数据获得了动力学模型中的参数。且宏 观反应动力学方程成功应用于上海焦化总厂年产2 0 万吨大型甲醇合成反应器的模拟放 大。 在此基础上，他们针对大型l u r g i 甲醇合成塔反应器的设计，提出了绝热一管壳复合 型甲醇合成反应器【l0 】。应用c o 、c 0 2 加氢合成甲醇反应宏观双速率动力学方程以甲醇 和c 0 2 为关键组分，建立了甲醇合成反应器催化床的二维数学模型 1 l 】。用正交配置法求 得催化床内各组分摩尔分数和床层温度随轴向和径向的分布。模拟计算了主要操作参数 如沸腾水压力和温度、操作压力对反应器操作性能的影响，讨论了催化剂使用中后期 反应器的生产能力。生产操作数据与模型计算预测值吻合良好。 ( 3 ) 华东理工大学张吉波、丁百全、房鼎业、朱炳辰应用三相淤浆床甲醇合成反 应器流体力学和甲醇合成过程基础数据，采用c 3 0 2 铜基催化剂，采用液体石蜡油作为热 载体，以c o 、c 0 2 加氢合成甲醇为独立反应以c o 、c 0 2 为关键组分，建立三相淤浆 床甲醇合成反应器数学模型，利用序贯模块方法对整个回路进行模拟计算。通过计算， 得到反应组分沿淤浆床高的分布和有关的设计、操作参数，并分析了反应器的操作适应 性。 ( 4 ) 华东理工大学自动化工程中心陈霁威、乐慧丰、黄道针对上海焦化的大型甲 醇合成设备提出了一种基于神经网络和遗传算法的在线优化体系，设计并实现了基于神 经网络和遗传算法的在线优化软件包，并将该软件成功应用于甲醇合成的在线操作优化。 ( 5 ) 华东理工大学化工学院的王存文、丁百全、朱炳辰、房鼎业【1 4 1 对c 3 0 1 及c 3 0 2 两种不同催化剂条件下机械搅拌反应器内液相法甲醇合成过程进行了模拟。模拟中考虑 了气液之间的传质过程及催化剂气固相本征反应动力学。主要模拟条件：温度4 8 3 k 5 2 8 k ，压力2 0 m p a 6 0 m p a ，原料气中c o 浓度o 0 6 3 4 5 。模拟结果表明：在c 3 0 1 与c 3 0 2 催化荆条件下、甲醇生成总体速率的模拟计算值与实测值相吻合，平均偏差分别 为7 9 8 和1 1 9 2 。可以认为，气固相本征动力学模型应用于液相甲醇合成过程的工程 设计与过程分析是适用和可靠的。 ( 6 ) 浙江工业大学楼寿林副教授等针对国内外甲醇塔结构形式在使用中存在的问 题，对甲醇合成进行了长期研究，设计开发并转让给浙江衢卅i 前程实业总公司压力容器 浙江大学工程硕士学位论文 厂生产的“均温型甲醇合成塔”，在催化剂还原和甲醇合成过程中实现了催化剂床层的“均 温”。 均温型甲醇合成塔在设计过程中同样采用了计算机模拟设计技术【1 5 】，采用一维模型 计算、由反应速率式和催化床与管内气体热传导式组成一阶常微分方程组。速率式采用 朱炳辰教授等提出的带有模型参数的单速率模型，用国产c 2 0 7 或c 3 0 1 和w c 一1 或 w c 一3 铜基催化剂进行计算：先根据工厂实际操作数据、对一定结构尺寸和工艺条件下 的温度分布用定步长龙格一库塔法进行数值积分求解，反算得催化剂活性系数，然后再 对不同结构参数和工艺条件算得床层温度、组成分布和产量，计算达到末端接点温度误 差小于1 ，全床层热平衡误差小于1 。所设计的甲醇合成塔，工艺性能良好，结构简 单可靠。 以上所建模型都是针对特定的催化床建立，并且一般都只能作为一个单独的程序用 于甲醇合成反应器催化床、优化设计，而不适用于全流程的模拟，不能够应用于其它通 用流程模拟软件。 1 2 2 甲醇合成流程的模拟研究状况 早期的甲醇合成过程研究，大都是研究者自己先把甲醇合成流程进行合理的单元操 作模拟，然后自己开发各个单元操作模块的模拟计算程序，再采用相应的策略对整个甲 醇合成流程进行模拟计算。如：s h a n 和s t i l l m a n l l 叼曾经使用序贯模块法 1 7 ( s e q u e n t i a l m o d u l a ra p p r o a c h ) 对甲醇合成流程进行了模拟计算。k j a e r 1 明曾经使用联 立方程法口咐1 ( e q u a t i o n b a s e d a p p r o a c h ) 对甲醇合成流程进行了模拟计算。华东化工学院 的梁红、宋维端、房鼎业等人则应用联立模块法( s i m u l a t a n e o u s m o d u l a ra p p r o a c h ) 以及基于联立模块法的分层计算思想，采用三层计算策略对甲醇合成流程进行了模拟计 算。 以上这些模拟计算方法的共同特点就是研究者需要自己开发各个单元操作模块，进 行甲醇合成流程的模拟计算时编程开发的工作量很大，并且建立的甲醇合成流程用于模 拟计算时，使用不灵活，操作性较差，不便于对流程中各个操作参数进行具体分析。 近年来，随着大型化工流程模拟计算软件的推广使用，甲醇合成过程也逐渐采用现 有的流程软件来进行模拟技术、优化操作、优化设计等。而对甲醇合成流程中某些特定 的单元操作模块的模拟计算，如甲醇合成塔则大都采用编程扩展的形式进行模拟分析。 原化工部第二设计院的韩晓锋、张清等应用a s p e np l u s 工艺模拟软件，对多段冷激 式甲醇合成塔和列管式催化反应器进行了模拟计算口2 1 。选用a s p e np l u s 软件中提供的 4 浙江大学工程硕士学位论文 r p l u g 反应器来代表甲醇合成的催化床，首先对甲醇合成塔进行了模拟计算。 在模拟计算过程中，选用根据均匀表面吸附理论推导出的双曲线宏观动力学模型， 白编了反应动力学计算模块，考虑到所选用的动力学方程式在参数拟合时运用了特定的 逸度计算公式，故在动力学计算部分编入了特定的逸度计算公式，该逸度计算公式只对 反应速率起作用而对全流程计算没有影响。 他们在建立甲醇合成模拟流程的基础上，对一列管式甲醇合成反应器轴向的二氧化 碳浓度分布进行了模拟计算，同时也对反应器出口组成进行了模拟计算，模拟计算结果 与设计值较为吻合。 韩晓锋等人还使用a s p e np l u s 软件对多段冷激式反应器进行了优化计算，以合成塔 出口特定甲醇浓度下催化剂装填量最小为目标函数，选择各段冷激气量，各段催化剂装 填量为自变量，每段出口温度不超过特定值为约束条件，进行优化计算。他们使用a s p e n p l u s 软件中的优化功能，选用s q p 算法( 最新序贯二次拟牛顿法) ，断流约束采用w e g s t e n 或b r o y d e n 法，对国内某厂的甲醇反应器进行优化，计算出催化剂的最优装填量为1 8 m 3 ， 工厂实际为2 0 m 3 。 他们在选择好物性系统，对合成塔进行模拟后，对甲醇合成回路全流程也建立了模 型，采用一定的收敛方法，全流程模拟只需2 m i n ，并且模拟计算结果与设计值符合较好。 简化的合成回路模拟流程如图1 1 所示： 1 一新鲜气 1 0 一粗甲醇 3 一入塔气 1 2 一驰放气 5 一出塔气 1 3 一循环气 图1 1甲醇合成的简化模拟流程 浙江大学工程硕士学位论文 1 3 a s p e n 软件在化工流程模拟的应用 a s p e np l u s 是美国a s p e np l u s 公司于8 0 年代初推向市场的适用型化工流程模 拟软件。这套系统功能齐全、规模庞大，目前已广泛用于化工、炼油、石油化工、气体 加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动力、节能、食品等许多工业领域，它用严格和 最新的计算方法，进行化工单元和全流程的模拟运算。如： ( 1 ) 浙江大学化工学院联合反应研究所谢扬、沈庆扬【2 3 】应用a s p e np l u s 化工模 拟系统中r a d f r a c 精馏模块对聚乙烯醇生产工艺中甲醇一水分离塔进行模拟，模拟结 果与实际工艺吻合并找到最灵敏的操作参数，可用于指导生产。 ( 2 ) 中国石化北京设计酣2 q 把a s p e n p l u s 软件应用于炼油厂污水处理 工艺过程不同设计阶段中。所建模型已用于高含硫含氨污水汽提工艺的研究开发和设计 过程、并用于操作工况分析及离线操作指导，从而解决了工程设计中的难题。炼油厂含 硫污水经过处理由高浓度污染源变成有用的资源减少了环境污染。取得了良好的经济 效益及社会效益。 ( 3 ) 江苏石油化工学院【2 5 i 利用a s p e n f l u s 软件，模拟计算了某炼油厂重催装置 中吸收塔的工况数据及其流体力学状况。结果表明，当塔的吸收负荷增加后吸收操作即 进入液泛状态，为此提出了塔板结构的改造方案，即增大塔盘的开孔率以满足塔的高负 荷运行及规定的分离要求。 ( 4 ) 江苏石油化工学院化工系【2 6 l 利用a s p e np l u s 软件，对石油芳烃常规分离塔 系的工况进行了模拟计算，提出了两种芳烃热集成精馏流程。通过工艺分析和模拟计算 确定了两种热集成精馏的最佳工艺操作条件。在模拟计算的基础上，通过对常规精馏与 热集成精馏的能耗比较和设备投资的经济分析，找出了较为合理的一种三塔构型有效节 能流程。研究结果表明该流程可节约供热量3 7 ，热力学效率可提高3 5 6 ，但换热 面积需增加1 倍。 ( 5 ) 大庆石油化工总厂【2 7 i a s p e np l u s 流程模拟软件对合成氨装置净化系统进行 模拟，来寻找其“瓶颈”，结出消除“瓶颈”的措施及该措施的实际实施情况和效果。 ( 6 ) 上海高桥石油化工设计酣2 8 】把a s p e n p l u s 软件应用于上海炼油厂“新三年” 项目( 1 0 0 万吨，年焦化汽柴油及催化柴油加氢精制装置) 工艺流程设计中，用详尽的模 拟结果对比了冷高分流程和热高分流程，从能耗及投资经济合理性两方砸进行了比较， 从而决定采用高分流程。 ( 7 ) 上海石油化工研究院【2 9 】采用a s p e n p l u s 稳态流程模拟软件对采用第三代 浙江大学工程硕士学位论文 分子筛气相烷基化制乙苯的某乙苯装置全流程进行了模拟计算。模拟所选用的r k - a s d e n 物性集能准确地预测各操作点的汽液平衡和计算流体物性确定的断裂流股、流股收敛 方法及模拟计算顺序能使模拟快速收敛。将全流程模拟计算结果与原始设计数据比较， 结果令人满意。所开发的二次模拟软件可用于乙苯装置的生产调优、扩能改造和新装置 的工艺没计。 ( 8 ) 中国石化上海医药工业设计院以a s p e np l u s 模拟乙烯装置汽油分馏塔系 统，其轻烃部分物性可以用p e n g r o b i s o n 、r e d i c h - k w o n g - - - s e a v e 等状态方程来描述，馏 分油部分物性则用虚拟组分( f i c t i t i o u sc o m p o n e n t s ) 描述，同时研究了各工艺参数对塔板温 度的影响。 1 4 人工神经元网络简介 人工神经元网络的研究始于1 9 4 3 年，它是由心理学家w s m c c u l l o c h 和数学家 w p i a s 所提出的m p 模型【3 1 1 。m 。p 模型的提出不仅具有开创意义，而且还为以后的研 究工作提供了依据【3 2 】。 随之而来的五、六十年代，神经网络的研究受到人们的重视，对线性问题的研究取 得了一些成果，各种各样的应用也不断出现。1 9 4 9 年心理学家d 0 h e b b 发表论著行 为自组织【” ，首先定义了称为h e b b i a n 的调整权的方法，这对以后神经网络的结构和 算法的研究具有很大的指导意义。1 9 5 8 年f r a n k r o s e n b l a t t 第一次描述了多层前馈网络模 型的一种雏形【3 4 1 ，称为感知器( p e r c e p t r o n ) ，可以将输出限制在【_ 一l ，+ 1 】中，当时提出 的学习规则为后来的有教误差反传训练方法所引用。1 9 6 0 年b w i n d r o w 和m e h o f f 提 出了自适应线性单元( a d a l i n e ) 网络。它可用于自适应滤波、预测和模型识别。 但在1 9 6 9 年，美国麻省理工学院著名人工智能学者m m i n s k y 和s p a p e r t 编写的 ( ( p e r c e p t r o n ) ) 一书证明了当神经网络采用线性活化函数时，不能求解非线性分类问剐”】， 使研究工作者对这类神经网络的进一步发展产生了怀疑，导致神经网络的研究进入了一 个缓慢发展的低潮期，直至8 0 年代。 然而，在这个低潮期，研究工作并没有完全停顿下来，仍有许多学者继续进行探索， 并取得了一些突破性的成果，使人们对人工神经元网络的研究热情又很快复燃起来。1 9 8 2 年，j j h o p f i e l d 提出了全连接神经网络结构，即h o p f i e l d 网络模型 3 6 1 。1 9 8 6 年p d p 研 究小组全面论述了多层前馈网络的结构、多层前馈算法及映射能力口7 j 。为适应人工神经 元网络的发展，1 9 8 7 年成立了国际神经网络学会，并决定定期召开国际神经网络学术会 议。1 9 8 8 年1 月 n e u r a l n e t w o r k 创刊。1 9 9 0 年3 月( ( i e e e t r a n s a c t i o n o n n e u r a l n e t w o r k ) ) 7 浙江大学工程硕士学位论文 问世。我国于1 9 9 0 年1 2 月在北京召开了首届神经网络学术大会，并于1 9 9 1 年在南京成 立了中国神经网络学会。 近十年来，神经网络的理论研究有了引人注目的发展，应用研究也取得了很大的成 绩，人工神经网络的发展显示出强大的生命力。 1 4 1 典型的神经网络 迄今为止，已有数百种人工神经网络模型被人们从不问角度提出。这些神经网络模 型从结构上划分，可分为前馈神经网络和反馈神经网络；从训练方法上划分，可分为有 教学习神经网络、无教学习神经网络和竞争学习神经网络：从应用性质上划分，可分为 全局逼近神经网络和局部逼近神经网络。在这些神经网络中，比较典型的有：多层前馈 神经网络、h o p f i e l d 网络、g r o s s b e r g 网络、递归网络和r b f 网络。 1 4 1 1 多层前馈神经网络 多层前馈神经网络包含一个输入层、一个输出层和一个或多个隐含层。其信息从输入 层依次向上传递，直至输出层。图1 2 是三层前馈神经网络的拓扑结构。 x 2x 图1 2 三层前馈神经网络的拓扑结构 输出层 隐含层 输入层 网络的输入层起到传递信息的作用，节点数对应于输入变量的个数；输出层节点数 对应于问题的因变量个数；隐含层节点数的多少及处理函数形式取决于处理对象的复杂 性程度。相邻层的节点之间用权0 连接，现对隐含层的第，个神经元进行讨论，该节点 的总输入n ，一。表示为： 8 浙江大学工程硕士学位论文 a j m = w x ，+ 口， 其中x i 表示第f 个输入分量，表示第f 个输入节点和第，个隐含节点之间的连接 权，q 是当前神经元的偏置，”为输入变量数。对于这一总输入，经过s i g m o i d 型传递函 数的处理，产生该节点的对应输出： o ，一 !：!一一(1-2) 1 04 - e x p ( 一日，。) 研究表明f 3 8 3 9 1 ，多层前馈神经网络所实现的映射可一致逼近有限区间上的连续函数。 这种逼近能力为它的建模提供了坚实的理论基础，并成功地应用于控制、故障诊断、化 工和化学、机器人、气象天文、经济等领域。 1 4 2r b f 网络 径向基函数网络( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n n e t w o r k s ，简称r b f 网络) 是近年来受到模 式识别、化学信息处理、信号理论与控制、故障诊断等领域研究人员广泛关注的一种前 馈神经网络。对于前馈神经网络而言，实现映射和函数逼近是其共同特点。理论已经证 明，r b f 网络具有全局和最佳逼近性能，是前馈神经网络中完成映射功能的最优网络。 因此，r b f 网络在很多领域都有广泛的应用，并取得了相当的成功。 1 4 2 1i r j 3 f 网络的结构与特点 r b f 网络是一种三层前馈神经网络。输入层由信号源结点组成；第二层为隐含层， 单元数视所描述问题的需要而定；第三层为输出层，它对输入模式的作用做出响应。假 如网络有”个输入单元、g 个隐单元和坍个输出单元，则其拓扑结构如图1 3 所示。 输入层隐含层输出层 q 9 图1 3r b f 网络的拓扑结构 浙江大学工程硕士学位论文 r b f 网络由输入空间到隐含层空间的变换是非线性的，而从隐含层空间到输出层空 间的变换是线性的。隐单元的变换函数是径向基函数，网络能够实现输入输出之间如下 的映射关系： = 兰哆，m ( j 卜一。d ，f ：1 ，2 ，珊 ( 1 3 ) 其中x = ( x i ，x 2 ，矗) 7 为输入矢量，y ，为第f 个输出单元的输出值，h ，为第，个隐 单元到第f 个输出单元的权值，| h i 为欧氏范数，中( ) 为径向基函数，q 为第个隐单元的 中心矢量。 径向基函数是一种局部分布的对中心点径向对称衰减的非负非线性函数，常用的有： 高斯函数( g a u s sf u n c t i o n ) ： ( v ) = e x p ( - v 2 1 2 0 2 ) ( 盯 o ，v 0 )( 1 - - 4 ) 多二次函数( m u l t i q u a d r i cf u n c t i o n ) m ( 力= ( v 2 + 尸2 ) 2( 卢 o ，v 0 ) ( 1 - 5 ) 逆多二次函数( i n v e r s em u h i q u a d r i cf u n c t i o n ) 【4 1 ，2 2 1 ： o ( v ) = ( v 2 + 2 ) - 1 ，2( 0 ，v 0 ) ( 1 - - 6 ) 薄板样条函数( t h i n - p l a t e s p l i n ef u n c t i o n ) 1 1 ，1 2 1 ： 中( v ) = v 2 l o g ( v ) ( 1 - - 7 ) 以上四种函数在r b f 网络中均具有良好的逼近性能，其中高斯函数和薄板样条函数 更为常用一些。 理论证明，在径向基函数网络中，径向基函数中( - ) 的选取对于网络的性能影响并不 大，设计与训练r b f 网络的重点在于确定网络的结构。其中网络的输入单元数和输出单 元数由训练样本确定，待定的网络参数包括隐含层单元数g 、中心矢量c 、宽度参数盯( 本 文的径向基函数均采用高斯函数) 、网络的连接权叶，。这些待定网络参数的确定正是r b f 网络研究的关键性问题，需要通过学习和训练的方法来完成。 1 4 2 2r b f 网络常用的学习方法 目前，针对r b f 网络的学习方法很多，主要可分为用数学方法提出的学习算法和对 r b f 网络结构提出改进而建立的新型r b f 网络。前者主要有m o o d y 和d a r k e n 提出的混 浙江大学工程硕士学位论文 合自适应k 均值和l m s 算法【4 3 】，c h e n 等人提出的正交最小二乘算法( o r t h c l g o n a ll e a s t s q u a r e ) 【4 4 】和递推混合算法( r e c u r s i v eh y b r i d a l g o r i t h m ) 【4 5 1 ，h o l c o m b 等提出的局部训 练算法【4 6 ，g a u s s j o r d a n 与求广义逆的复合法f 4 7 】，混合s r p c l - i g l s 算法4 8 1 ，结合遗传 算法的混合优化策略等1 4 9 ，以及一些将r b f 网络与多元数据处理中的空间变换法相结合 的学习算法，如将r b f 网络与偏最小二乘回归相结合的r b f - p l s r 方法【5 m 。后者主要有 改进的r b f 网络( 在原有r b f 网络结构上增加一个补偿网络) 【5 l 】，引入势函数的概念， 将r b f 网络变化为势r b f 网络【2 2 】，梯度r b f 网络( g r a d i e n tr b fn e t w o r k s ) 5 3 】，双正 交r b f 网络( d u a l o r t h o g o n a lr b fn e t w o r k s ) 5 4 1 等等。 1 5 人工神经元网络的应用 ( 1 ) 同济大学混凝土材料研究国家重点实验室的张永娟、张雄5 5 建立煤矸石水泥胶 砂强度与影响煤矸石水泥胶砂强度的主要因素( 如；水泥细度、煤矸石细度以及煤矸石与 水泥的细度匹配) 间的量化预测模型。采用以反向传播学习算法即神经网络算法f b a e k p r o p a g a t i o na r i t h m e t i c 多层前馈) 调整网络中各权值，对煤矸石一水泥体系的胶砂强度与 其影响因子建立了多层前馈神经网络模型。用另一套非建模数据进行检验。结果表明： 预测值与实测值比较接近，相对误差不超过过2 ；。这说明多层前馈神经网络模型在本 研究系统的建立是成功的，它从一些杂乱无章的数据中找出了隐含其中的规律，较好地 反映了煤矸石一水泥颗粒群特征参数与其胶砂强度的非线性函数映射，为有效激发煤矸 石水泥强度提供了颗粒群匹配的方法。 ( 2 ) 中国航天科技集团公司帅平等【5 6 】建立了基于多层前馈人工神经网络的g p s s i n s 组合导航算法，对原始的非线性连续系统模型进行线性化和离散化处理，要求系统 噪声和测量噪声为零均值的高斯白噪声，且易于出现滤波器发散。多层前馈人工神经网 络无需对所求解的问题建模，能够很好地逼近系统非线性特性，获得较高精度的导航定 位信息；还具有计算过程稳定，不涉及矩阵求逆，不需要迭代逼近，以及容易实现并行 处理等优点。设计适用于g p s s i n s 组合导航系统的多层前馈网络模型，并在标准的多 层前馈算法基础上，采用共扼梯度法改进网络训练速度及精度。最后，通过仿真算例说 明多层前馈网络方法用于g p s s s 组合导航计算的可行性。 ( 3 ) 浙江省气象科学研究所俞善贤，钟元，滕卫平【5 7 1 分别对具有动量项多层前馈、 l m 、r b f 人工神经网络建立3 6 、4 8 、6 0 、7 2 小时的热带气旋路径预测模型，各用1 0 0 个独立样本进行预测检验，分析了网络“学习好，预报差”的原因，解决这一问题的关 键是选择合适的网络结构参数、相应的学习算法和合适的预报因子，并总结了合理应用 1 1 浙江大学工程硕士学位论文 人工神经网络建立预测模型的经验。针对人工神经网络模型不具有自动选取因子的功能， 给实际应用造成困难，提出了基于r b f 的逐步选取因子的算法，并进行了