化工过程分析与合成第四章 化工过程系统的优化

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1、化工过程分析与合成AnalysisandSynthesisofChemicalProcess第四章化工过程系统的优化Chapter4CPSOptimization掌握线性规划问题的求解方法；掌握拉格朗日乘子法及罚函数法；了解过程系统优化的种类及优化的基本概念；了解过程系统参数模拟优化方法；了解变分法。[学习重点与难点]线性规划问题；非线性规划问题[学习目的]4.1概述4.1.1优化问题的产生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的数学模型。这些数学模型是对实际过程系统进行模拟的基础。所

2、谓系统仿真（或系统模拟）实际上就是建立过程的数学模型。对于化工过程系统而言，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。化工系统工程的基础是模拟，但其核心内容是过程系统的最优化。4.1.2优化问题生产每吨产品的成本最小:与目标大小相关的操作变量，如T，P，U等；实际上，就是求解当成本最小时的最佳操作条件。优化目标4.1.3优化问题的类型A参数优化（设计参数、操作参数）一过程系统优化问题二求解方法优化问题B结构优化C管理优化过程系统合成问题，在第7/8章介绍A参数优化（设计参数

3、、操作参数）一过程系统优化问题确定设计参数、操作参数，使系统某个技术指标最佳。例如：在设计化工设备或成套装置时，总会碰到设备投资费用和操作费用之间的矛盾，即如何在设备投资费用与操作费用之间求得平衡，使总的投资效益最好；设计参数优化问题如:精馏塔设计中适宜回流比的选择又如：对于运行着的化工装置，则需要我们通过定性的和定量的分析来确定能使单元或系统的某个目标函数达到最大（小）值时的生产操作条件.操作参数最优化在实际生产过程中,调节温度、压力，使原料转化率最大仅当某些因素（变量）从正反两方面影响优化目标时，

4、才会存在最优化问题。注意：并非所有的系统均存在最优化问题。这类问题中，决策变量（参数、生产条件）与目标间的函数关系必定存在一个以上的峰（谷），即参数最优化问题。B结构优化达到一定的生产目的，应采用什么样的工艺路线、什么样的流程结构最为合理，即流程方案的优化。即确定系统的构造（流程），使达到一定的生产目的，且最佳——系统合成。费用最小，同时还应保证该方案满足安全、环保、易于实现等要求。在多种可行方案中找出费用最小的流程结构，保证该方案满足安全、环保、易操作等方面的要求确定冷、热物流的匹配方式，以便充分利

5、用系统内部热量，降低公用工程消耗流程方案的优化结构优化和参数优化的最终目的：尤其是大型化工企业，由于其庞大的投资和漫长的建设周期，建成后是否具有竞争力至关重要，生产效益成为关注的焦点，故化工过程系统的优化也就变得十分重要。以最小的投入和日常消耗，获得最大的收益（利润）。二求解方法优化问题一旦最优化问题提出，就还涉及到问题的求解，即求解方法的最优化问题。1、如何将研究对象转化成最优化数学模型；需要解决的问题：2、采用什么样的数学方法来求解最优化数学模型。A分析问题属于哪种类型：连续操作还是间歇操作；稳态

6、操作还是动态操作；单目标优化还是多目标优化等。B选择建立何种模型进行优化：确定性模型、统计模型还是半经验模型。4.2化工过程系统优化问题基本概念4.2.1最优化问题的数学描述问题的提出及数学模型：A、优化的目标是什么？B、哪些变量/参数与优化目标关系密切？确定决策变量；C、系统优化问题的数学描述如何进行？D、如何求解描述系统的优化数学模型？原则：与目标关系大、灵敏；生产上可调；尽可能少最优化：在给定条件下获得最好的结果。在数学上，求解最优化问题就是找到一组决策变量，使目标函数J达到最大或最小值。由于目

7、标函数J的最小值就是-J的最大值，即：minJ=max[-J]。所以求解最小值的方法完全可以用于求解最大值问题。求目标函数的最小值：minJ=minF(y)服从约束条件：不等式等式g(y)>=0e(y)=0y=(y1,y2,…yn)T最优化问题的组成要素：目标函数，优化变量，约束条件与可行域。一、目标函数（性能函数、评价函数）目标函数:最优化问题所要达到的目标.不同的决策，其好坏优劣要以它们使目标函数达到多少为评判标准。系统的产量最大、经济收益最大、能量消耗最小、原料利用率最高、操作成本最低、投资成本

8、最低、稳定操作周期最长等.也可以是以上某些单个目标的组合，构成复合目标，即多目标问题:操作费用和设备投资折旧的综合目标；能耗与投资的综合目标；产品质量与产量的综合目标等系统的最优化是建筑在单元最优化的基础上的：系统最优化单元最优化的简单组合二、优化变量minJ=minF(y)中的y为n维优化变量向量。对于过程系统参数优化问题，优化变量向量是过程变量向量。过程变量向量=决策变量+状态变量决策变量等于系统的自由度，它们是系统变量中可以独立变化以改变系统行为的