化工优化计算基础知识

第六章化工优化计算内容1.技术经济数据2.几个化工单元操作优化实例3.过程系统的优化Companyname优化问题的由来

优化方法和理论来源于军事，管理和经济。我国古代军事天才孙武所著《孙子兵法》把军事运筹学的思想，理论和方法阐述得淋漓尽致，其中包含大量的优化思想和方法。两次世界大战，尤其是二战中提出的很多均是优化问题，诸如搜索潜艇问题；护航问题；布雷问题；轰炸问题以及运输问题等等。二战后，优化方法的应用由军事问题转入民用问题，提出了现代管理的理论和方法，如工程设计，计划管理等等。现阶段，生产规模日益庞大，生产技术日益复杂，商业经营日趋国际化，环境污染和生态问题日益严重。工程技术和管理人员人员面临十分复杂的问题，迫切需要一种统筹兼顾，行之有效的科学方法来处理复杂的问题。前言Companyname前言优化的意义和可行性在工业决策中，优化技术是主要的定量分析工具。针对复杂的化工设计和工厂操作问题，通过优化方法做出的决策比直接决策更为可靠、有效。在化工厂以及许多其他工业工程的设计、操作和分析中所涉及的大部分问题都可使用优化方法进行求解。如初始设计、优化现有设备以强化其操作性能，达到产量最大、成本最小、能耗最低等目的。计算机及其相关软件的发展使得优化问题的计算不仅可行而且高效（二战后兴起，近几十年来普及）。Companyname前言每个优化问题都包含三个基本方面：至少有一个要优化的目标函数（利润函数、费用函数等）；等式约束；不等式约束。所谓化工优化设计就是采用优化方法使化工过程满足最优的目标函数和约束条件。这一最优目标函数通常是指设备或装置的年费用为最小。在化工设计中确定某些参数时，需要考虑对设备费用和操作费用的影响。Companyname前言化工装置的年费用=设备费用+操作费用。设备费用：一般指设备的购置费用、安装费用、维修费用按折旧年限分摊到每年的成本。操作费用：指每小时生产所需的水、电、蒸汽等费用乘以年开工小时数为每年的成本。由于优化设计涉及技术经济参数，因此可靠的定量计算需了解国家的技术经济政策和市场的价格走势。Companyname6.1技术经济数据进行化工的优化设计计算，必须要有技术经济数据或相应的数据库。由于物资的价格特别是钢材和能源的价格随市场变化很大，所以技术经济数据不像物性数据是固定不变的，需要根据市场的发展不断修正。Companyname6.1技术经济数据设备费用（1）按设备有固定的单价CS—设备的年费用，元；SL—设备的数量，m2（或m3或kg）；DJ—设备的单价，元/m2（或元/m3或元/kg）；ZJ—设备折旧费，1/年；f—相关的校正系数。Companyname6.1技术经济数据设备费用（2）按系列设备公式计算φ—设备尺寸的函数。根据不同的设备有不同的函数形式。如管壳式换热器的计算公式为：AL—换热器的传热面积，m2；a、b—设备的回归系数。Companyname6.1技术经济数据设备费用（2）按系列设备公式计算换热器形式回归系数压力校正系数f1材质校正系数f2ab0.6MPa1.0MPa1.6MPa2.5MPa管程1Cr18Ni9Ti管程壳程均1Cr18Ni9Ti固定管板3340.730.890.9211.126.59.5浮头式2760.811.056.59.5表6-1管壳式换热器回归系数和校正系数表Companyname6.1技术经经济数数据设备费费用（2）按系系列设设备公公式计计算碳钢塔塔板的的精馏馏塔计计算公公式为为：f1—美元对对人民民币的的汇率率；f2—塔板因因子系系数，，浮阀阀塔板板取1，筛板板塔板板取0.85，泡罩罩塔板板取1.59；f3—板数因因子，，N>20时取1，N<20时由f3=2.25/1.0414N计算；；N—实际塔塔板数数；D—塔径，，m。Companyname6.1技术经经济数数据操作费费用CC—操作的的年费费用，，元；；DS—水的单单价，，元/m3；qW—水的耗耗量，，m3/h；DZ—蒸汽的单价价，元/kg；WZ—蒸汽的耗量量，kg/h；DD—电的单价，，元/(kW··h)；E—设备的动力力消耗，kW；τ—年开工小时时，h。Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例求解优化问问题的方法法往往根据据条件的不不同而各有有差异。如如目标函数数只涉及一一个变量，，称为单变变量优化问问题，否则则为多变量量问题。这这里介绍的的化工单元元操作的优优化，都是是单变量的的优化问题题。Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例最佳管径的的设计管路的优化化设计是指指设计出使使整个管路路的设备费费和操作费费的年成本本最小的管管径，对高高压管路和和远距离管管线的设计计尤其重要要。管路特性方方程泵的电机输输入功率Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例最佳管径的的设计管路质量：：m—管材质量，，kg；δ—管壁厚度，，m；ρm—管材的密度度，kg/m3；F—单位质量直直管的管件件折价数，，一般为1.4~6.75。Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例最佳管径的的设计费用方程：：CZ—管路系统年年总费用；；DJ—管路单位质质量的价格格（包括安安装和维修修等费用））。因此：管路路系统的年年总费用CZ是管径d的函数。Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例最佳管径的的设计（1）极值法：：目标函数数的一阶导导数等于0。可以通过迭迭代上述方方程求解管管径d，即为最佳佳管径，但但该管径需需根据管材材规格进行行圆整。（2）穷穷举举法法：：把把不不同同的的管管径径（（按按管管材材的的规规格格））逐逐一一代代入入费费用用方方程程，，可可以以得得到到CZ−d的列列表表函函数数，，即即可可方方便便地地得得到到最最佳佳的的管管径径。。Companyname6.2几个个化化工工单单元元操操作作优优化化实实例例换热器冷却水水出口温度的的优化用冷却水冷却却某工艺热流流体，当换热热器的传热量量为已知，水水的进口温度度一定时，根根据传热计算算可知：冷却却水出口温度度的高低将影影响传热温度度差及换热面面积，即影响响设备费用；；同时冷却水水的出口温度度又影响冷却却水的用量即即操作费用。。所谓最佳冷冷却水出口温温度就是在此此温度下，换换热器的设备备和操作的年年费用最小。。Companyname6.2几个化工单元元操作优化实实例换热器冷却水水出口温度的的优化由热量衡算和和传热速率：：Companyname6.2几个化工单元元操作优化实实例换热器冷却水水出口温度的的优化费用方程：CZ—换热器年总费费用；DJ—换热器单位面面积的费用（（包括安装和和维修等费用用）。DS—每千克冷却水水费用（包括括动力费用））。ZJ—换热器的折旧旧率，1/年；τ—换热器年工作作小时，h。因此：管路系系统的年总费费用CZ是管径t2的函数。Companyname6.2几个化工单元元操作优化实实例换热器冷却水水出口温度的的优化（1）极值法：目目标函数的一一阶导数等于于0。可以通过迭代代上述方程求求解t2，即为最佳冷冷却水出口温温度。（2）穷举法：把把不同的出口口温度t2代入费用方程程，可以得到到CZ−t2的列表函数，，即可方便地地得到最佳冷冷却水出口温温度。上述计计算对K作为常数考虑虑，如把K也作为t2的函数，则计计算难度将增增加。Companyname6.2几个化工单元元操作优化实实例精馏塔最佳回回流比的确定定回流比是精馏馏塔设计和操操作的重要参参数，回流比比的大小直接接影响精馏塔塔的能耗及塔塔板的直径和和数量。以常常规精馏塔（（泡点加料））为例。Companyname6.2几个化工单元元操作优化实实例精馏塔塔最佳佳回流流比的的确定定塔顶全全凝器器的冷冷凝热热负荷荷为：：塔底再再沸器器的汽汽化热热负荷荷为：：γC,γR—塔顶蒸蒸气、、塔底底蒸气气的摩摩尔汽汽化热热，kJ/kmol；WZ—饱和水蒸气气用量，kg/h；γ—加热蒸气的的汽化热，，kJ/kg。Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例精馏塔最佳佳回流比的的确定Gilliland关联方程取取：Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例精馏塔最佳佳回流比的的确定塔板直径应应为气液负负荷的复杂杂函数，现现采用一种种简单的形形式代入Companyname6.2几个化工单单元操作优优化实例精馏塔最佳佳回流比的的确定费用方方程：：DZ—蒸汽的的单价价，元元/kg；DS—水的单单价，，元/m3；Companyname6.2几个化化工单单元操操作优优化实实例精馏塔塔最佳佳回流流比的的确定定当D、Rm、Nm、p和T等为已已知值值，其其他的的物性性和经经济参参数也也为已已知值值时，，精馏馏塔的的年费费用CZ是R的函数数，最最佳操操作R同样可可以通通过极极值法法和穷穷举法法求得得。Companyname6.3过程系系统的的优化化技术的的发展展使人人们认认识到到，要要把一一个装装置作作为整整体来来考虑虑，使使之能能耗最最小、、年费费用最最小和和环境境污染染最小小，达达到整整体设设计的的优化化，称称为过过程的的集成成。通通常在在同一一装置置内有有多股股物料料需要要加热热，另另有多多股物物料需需要冷冷却。。如果果把这这些物物料相相互匹匹配，，使热热流体体放出出的热热量提提供给给冷流流体加加热，，这样样可以以大大大减少少加热热蒸汽汽和冷冷却水水的耗耗量，，使能能量利利用率率大为为提高高。过过程集集成中中目前前最实实用的的方法法是夹夹点技技术。。Companyname6.3过程系系统的的优化化温焓图图和复复合曲曲线根据热热量衡衡算可可知，，温度度上升升即流流体的的焓值值增加加，当当流体体的比比热容容为常常数时时可写写为：：温焓图图直线的的斜率率为1/(qm1cP1)。Companyname6.3过程系系统的的优化化温焓图图和复复合曲曲线复合温温焓图图Companyname6.3过程系系统的的优化化夹点和和换热热系统统的集集成(a)Companyname6.3过程系系统的的优化化夹点和和换热热系统统的集集成(b)Companyname6.3过程系统统的优化化夹点和换换热系统统的集成成(c)Companyname6.3过程系统统的优化化系统热集集成的目目标函数数热复合曲曲线和冷冷复合曲曲线的相相互位置置决定了了夹点温温差，同同时也确确定了需需要换热热器的个个数、传传热面积积的大小小及冷却却水和加加热蒸汽汽的耗量量。系统热集集成的目目