最优化方法在化工中的应用

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1、最优化方法在化工中的应用摘要：最优化方法主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。其目的在于针对所研究的系统，求得一个合理运用人力、物力和财力的最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系统的最优目标。随着最优化理论的发展，最优化模型和算法的不断完善、创新，如遗传算法、神经网络的建立，进一步为建立可靠模型、精确求解铺平道路。在化工生产与产品销售过程中，最优化的踪迹更是无处不在，如生产设备最优化、生产流程最优化、运输管道最优化、产品利润最优化，以及涉及相关化学实验、化学反应动力学的最优化模型。最优

2、化方法的日益成熟使化工生产低投入高产出得以实现，节约了资源提高了效率，降低了污染。而一系列最优化软件，如Matlab、lingo等在化工过程中得到了广泛应用。关键词：化工最优化设备管网1引言2最优化方法在化工中的应用化工过程系统最优化设计的研究在过去二三十年中取得了很大的进展，这主要得益于计算及技术的发展，计算机的应用不仅仅体现在为大规模数值问题的处理提供了强有力的工具，而更多地体现在为过程设计的经验和艺术插上了数字化的翅膀.大约在十多年前，当大规模数学规划方法的实施仍面临一系列问题吋，在过程设计领域中一种新引入的概念方法一专家系

3、统以及由此而引申的人工智能方法在解决实际问题上表现出的优势，引起了人们的关注目前基于知识和规则的智能系统研究取得了很大的进展，基于经验、工况分析以及逐渐演进方法等的设计过程也越来越多地由U•算机完成，应用知识和经验规则进行过程设计的计算机辅助系统逐步趋于完善，特别是针对更加复杂（例如同时考虑环境影响以及女全性）的大规模过程系统设计问题，这些方法仍会有很好的应用前景化工生产遍布现代生活的方方面面，涉及生活用品、工业材料、汕气能源，不一而足。化工过程是一个由原料到产品的过程，其中包含物质的转化与能量的传递，而节能省材一直是工业生产的目

4、标之一；化学反应需要在特定的反应设备里进行，怎样设计反应器，使其既能满足生产要求又能高效率的利用资源，是化工设计者的设计原则；原料、产物与成品的输送需要管线，适当的管路管道尺寸的选择，管道的成本；产量的设定，产品的销吿等这一系列问题都需要最优化选择，而最优化算法从建立模型、求解方法方面使这一系列决策尽可能达到最理想结果，以下将对最优化方法在化工过程各个部分的应用作简要介绍。2.1化工设备最优化化工生产屮涉及的设备，如空分装置、通风机、反应釜、蒸汽冷却器、报警装賈等都需要对其相关参数进行S优化，以降低能耗提高效率。空分装置是一种利用

5、空气深冷精馏制造工业用的氮、氧、氩及其它稀有气体的一系列设备组合，其流程复杂，整个系统巾两个相互联系的复杂塔、若干台换热器以及节流、膨胀设备等组成。整个系统构成了完整的热力学循环，物料流和能量流相互影响，牵一动众。空气可看作N2-Ar-O2三元混合物，于成烈等利用模拟调优方法解决了提高氧气产量的问题。王旭开等对生产己二酸的反应机理与反应动力学进行了假设与简化后，建立了己二酸装賈的数学模型，并在计算机上应用序贯计算方法对该装置进行丫模拟，在此基础上，用Needer-Mead最优化方法求解己二酸装置的最优工艺参数根据模拟和优化计算结果

6、提出了最优方案，该方案减少了原料用量和副产物的生成。此外，通过建立多维有约束的最优化模型，并通过将单纯形法和惩罚函数法相结合，解决了通风机、冷凝器的效率问题。2.2化工流程最优化R前求解大规模化工过程优化与模拟问题时，必然而临的一个困难就是由于系统的大规模所带来的迅速增长的计算时间。解决该问题的关键在于减少求解稀疏大型线性方程组所需的吋间。一种基于并行先导表法的并行计算方法川于求解稀疏大型线性方程组，通过重排将大型矩阵转化为带边块对角形式，进而可进行并行部分LU分解。化工过程是一个时变的、不确定的多变量输人输出关联系统，其内部机理

7、十分复杂，在化工过程预报中，存在极强的非线性关系。目前对这一过程的机理虽不乏研宂，但面对化工过程中复杂的实际问题，利用传统的数学方法已经很难解决。当前比较成功的办法是采取人工祌经网络算法，通过祌经网络的自学习、自组织能力来预测未知的知识。化工过程的优化方法是用多次完整的系统稳态模拟来估算目标函数和约來条件，再通过迭代计算来收敛。对于一个屮型的流程来说，最优化问题的变量总数可达数千维，各种描述方程及等式约束方程也有数千个之多。里然从原则上来讲，最优化方法本身并不受维数的限制，但由于流程规模及变量数的增大，最优化问题的规模也相应增大，

8、如无合理有效的策略，就会引起维数灾难，使最优化发生困难。油厂的物流以原油的加工为主线，生产流程从原油的采购开始，经过原油的储运、原油的混合、生产装置的加工、油品调合、成品油的储运，最后到成品汕的销售，每一环节都涉及相关参数的最优化。考虑环境影响的间