一般建模工藝,工業(yè)磷酸生產(chǎn)過程設(shè)計和優(yōu)化文獻(xiàn)翻譯

1、英文文獻(xiàn)翻譯學(xué)生：袁忠朋指導(dǎo)老師：邵群工業(yè)磷酸生產(chǎn)工藝設(shè)計和優(yōu)化的一般建模Athanasios I. Papadopoulosa, Panos Seferlis a,ba Chemical and Process Engineering Research Institute (CPERI), Centre for Research and Technology Hellas (CERTH), P.O. Box 60361, 57001 Thermi-Thessaloniki, Greeceb Department of Mechanical Engineering, Aristotle Uni

2、versity of Thessaloniki, P.O. Box 484, 54124 Thessaloniki, Greece摘要：在目前的工作中，我們通過一個有效的建模和優(yōu)化生產(chǎn)過程策略的實施，解決了工業(yè)規(guī)模的磷酸系統(tǒng)問題和有效的設(shè)計問題。一個通用的和系統(tǒng)的框架，旨在方便高性能磷酸生產(chǎn)方案的建模和識別，并探索參與生產(chǎn)工藝各單元之間的協(xié)同和相互作用。該框架假設(shè)采用的模型是獨立的生產(chǎn)過程，通過使用普通的生產(chǎn)模型來作為他們對該工藝的研究開發(fā)模擬，從而促進(jìn)了設(shè)計的轉(zhuǎn)變和關(guān)聯(lián)。所采用的建模與優(yōu)化方案正實施在工業(yè)磷酸生產(chǎn)過程中。當(dāng)洞察生產(chǎn)過程中各單元之間的相互作用時作出能有用的實際方案，就能夠在工業(yè)

3、生產(chǎn)過程中提高性能的設(shè)計選擇。（©2008 Elsevier公司保留所有權(quán)利）關(guān)鍵詞：磷酸生產(chǎn) 工藝設(shè)計 工藝優(yōu)化 磷酸生產(chǎn)過程 建模正文：1引言當(dāng)含磷礦物與硫酸和磷酸的混合物發(fā)生反應(yīng)時，磷酸被工業(yè)規(guī)模的產(chǎn)生。這個反應(yīng)的主要的副產(chǎn)物是硫酸鈣（石膏）的晶體，它是在反應(yīng)過程結(jié)束時，從磷酸中分離形成的副產(chǎn)物。磷酸生產(chǎn)過程涉及的固體和液體成分中強(qiáng)烈的相互作用，有若干敏感因素，如礦物的特性，反應(yīng)物的組合物和過程溫度條件，等等。反應(yīng)過程中涉及的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)生盡可能高的濃度和純度的磷酸水溶液，以便于在下游生產(chǎn)高價值磷酸產(chǎn)品。在工業(yè)實踐中，實現(xiàn)這一目標(biāo)的主要依據(jù)是工程和過程的經(jīng)驗性知識，而

4、一些流程建模和設(shè)計工作已經(jīng)在發(fā)表的文獻(xiàn)報告，目的是改善現(xiàn)有的理解和流程的效率。用半水磷酸的全面的多反應(yīng)器生產(chǎn)的數(shù)學(xué)模型（HH）工藝第一次出現(xiàn)在文獻(xiàn)1中。該模型考慮了材料和簡化的群體平衡以及反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)。作者討論了回收的酸對硫酸在過飽和條件下的反應(yīng)器中進(jìn)料流速比，以及對成核和晶體生長現(xiàn)象的效果的影響。該模型仍處于理論層面，因為沒有比較，都是用工業(yè)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)。在文獻(xiàn)2中提出的模型為單級脫水（DH）的過程。在文獻(xiàn)1的基礎(chǔ)上提出的參考模型。作者討論的若干假設(shè)有關(guān)晶體生長及成核模型性能的影響及其結(jié)果進(jìn)行比較，來獲得弗羅馬實驗室規(guī)模的試驗反應(yīng)堆的實驗數(shù)據(jù)。豐富的工作列于文獻(xiàn)3中，里面涵蓋了大量的磷酸生產(chǎn)

5、解決科學(xué)和工程問題。在磷酸生產(chǎn)過程中，一種建立模型的方法被提出來了，涉及到短期切斷的質(zhì)量和熱量平衡以及設(shè)計公式的過程單元操作，在很大程度上，而來自工業(yè)實踐中得出的經(jīng)驗知識也納入了開發(fā)的模型中。在文獻(xiàn)4中模型開發(fā)的5-CSTR反應(yīng)器中工業(yè)單位采用脫水方法的仿真。該過程的數(shù)學(xué)表示是類似于參考文獻(xiàn)1，而且還涉及到熱平衡。作者討論的設(shè)計參數(shù)，例如回流比和熱量在加工性能和提出的工藝參數(shù)值的有限范圍內(nèi)的最佳工作條件產(chǎn)生的效果。在文獻(xiàn)5中進(jìn)行研究了一個工業(yè)半水過程，其次是水合作用槽，以允許過渡到脫水過程。所采用的過程模型包括材料和熱平衡，并探討幾種設(shè)計參數(shù)，如反應(yīng)器中的溫度和回流比在處理操作的效果。單級脫水

6、過程的模型在參考文獻(xiàn)6中用Aspen Plus的過程模擬器中被開發(fā)出來。簡應(yīng)動單反力學(xué)的模型基于有關(guān)巖石的溶解和結(jié)晶現(xiàn)象的假設(shè)來表示。作者用幾個關(guān)鍵設(shè)計以工業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對他們的研究結(jié)果進(jìn)行比較。他們得出結(jié)論，即使在磷酸生產(chǎn)過程中有限的期間里出現(xiàn)的現(xiàn)象的描述足以提供有效的見解的過程。在文獻(xiàn)7中有一款型號為三CSTR反應(yīng)器中試裝置的單級脫水方法開發(fā)的模擬。該模型結(jié)合文獻(xiàn)1,2中的工作要素，并建議簡化反應(yīng)動力學(xué)模型。作者為了找到中試裝置的最佳操作條件，進(jìn)行一組工藝參數(shù)的參數(shù)研究?，F(xiàn)在發(fā)表的磷酸生產(chǎn)模擬中有幾個常見的特征，不管是設(shè)計細(xì)節(jié)的水平的應(yīng)用，還是在磷酸生產(chǎn)過程到技術(shù)較為成熟，所有提出的模型能捕

7、捉到主要現(xiàn)象。不過，他們?nèi)狈υO(shè)計的靈活性，因為他們明確地朝向預(yù)測評估的設(shè)計方向進(jìn)行。這套被用來處理任務(wù)的數(shù)學(xué)方程是具體的案例，因此在需要的情況下，手動添加新的設(shè)計方案（如流量，材料，工藝等等）都在進(jìn)行設(shè)計計算考慮的范圍內(nèi)。本報告試圖解決在現(xiàn)有的磷酸生產(chǎn)過程設(shè)計問題，調(diào)查主要集中在通過一定操作參數(shù)的改變引起整個過程的變化。雖然這樣的調(diào)查在考慮優(yōu)化調(diào)整的過程中是有用的，但他們?nèi)狈σ话阈缘膽?yīng)用程序作為他們的依據(jù)。此外，他們通過在生產(chǎn)系統(tǒng)之間各種處理任務(wù)的相互作用的應(yīng)用，無法確定增加生產(chǎn)績效的目標(biāo)。這只能通過對復(fù)雜的過程配置的優(yōu)化，即對不同的工藝操作條件和不同生產(chǎn)設(shè)備的選擇，來實現(xiàn)了。一個通用的合成方

8、法已被發(fā)表到文獻(xiàn)上，即解決涉及到反應(yīng)和分離任務(wù)的工藝設(shè)計。這種方法在文章的參考文獻(xiàn)8里面，提出了一種通用的熱/質(zhì)量交換的模塊，不管其處理的任務(wù)，只為了有效的調(diào)研模型的模擬過程。該模塊是被利用在上層建筑生產(chǎn)過程中的，因此捕獲在參與反應(yīng)和分離組件的相互作用和協(xié)同作用的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)的上層建筑是基于一種過程績效的優(yōu)化準(zhǔn)則，在非線性規(guī)劃形式上使用確定性的優(yōu)化技術(shù)。一個通用的合成反應(yīng)-分離過程的框架也被在參考文獻(xiàn)9上提出，它是基于onrichand的包容性的上層建筑，針對于所有假設(shè)的可能以及優(yōu)化生產(chǎn)過程的傳統(tǒng)方案。作者使用反應(yīng)/質(zhì)量交換（RMX）單元的概念，為了有效的模擬目標(biāo)的生產(chǎn)過程，無論是過程類型處理組

9、件的數(shù)量，還是在反應(yīng)和分離單元使用模型的設(shè)計細(xì)節(jié)。產(chǎn)生的上層建筑是使用隨即的優(yōu)化方法優(yōu)化的，其目的是為了開發(fā)日益廣泛的設(shè)計空間和識別高仿的設(shè)計方案。盡管從不同的設(shè)計理念解決質(zhì)量問題，應(yīng)用這些方法表明，通過對系統(tǒng)過程的相互作用和協(xié)同作用的識別和為了探索和確定最佳性能的設(shè)計目標(biāo)得知，優(yōu)化是必要的.。在這樣的背景下，我們報告一個在磷酸生產(chǎn)工藝設(shè)計過程的綜合優(yōu)化策略的系統(tǒng)性的應(yīng)用。這是通過一個通用的模型和有利于系統(tǒng)用最佳方案識別優(yōu)化來實現(xiàn)的。所采用的框架是利用通用的模塊程序，這來源于參考文獻(xiàn)的9，10，這是足夠靈活的，因為它允許處理不同結(jié)構(gòu)和運行特點的模型，并被建模為多相系統(tǒng)方案。通過對建模的應(yīng)用，它

10、能夠清晰地捕捉參與磷酸生產(chǎn)過程出現(xiàn)的現(xiàn)象。所采用框架允許利用隨機(jī)優(yōu)化技術(shù)對大量的替代處理選項進(jìn)行篩選，根據(jù)指定的性能指標(biāo)有針對性的改進(jìn)過程績效。一個工業(yè)磷酸生產(chǎn)過程作為一個測試平臺對所采用的框架有目標(biāo)的實施，舉例說明所采用的設(shè)計策略的特點以及生成一個現(xiàn)實生活中的設(shè)計問題，提出不同的設(shè)計見解。2.設(shè)計問題和解決策略2.1濕法磷酸生產(chǎn)過程的描述工業(yè)上磷酸生產(chǎn)的主要工藝是濕法制磷酸，包括單級和再結(jié)晶過程。單級過程包括一個單一的反應(yīng)結(jié)晶步驟和最常見的磷酸生產(chǎn)的脫水及半水過程的路線。再結(jié)晶過程包括在石膏分離階段加入稀硫酸，并作為一個組合的脫水和水合過程的實現(xiàn)工段。采用濕法生產(chǎn)磷酸在反應(yīng)器中方便混合物與硫

11、酸和磷酸水溶液中磷酸鹽巖的接觸。這種現(xiàn)象可以通過以下兩級反應(yīng)描述： Ca3(PO4)2·CaF2 +6H3PO4 4Ca(H2PO4)2 +2HF (1)Ca(H2PO4)2 +H2SO4 +nH2O 2H3PO4 +CaSO4·nH2O (2)在石膏產(chǎn)品中可脫水（N = 2），水（n = 0.5）或只有硬石膏（N = 0）。在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了參考文獻(xiàn) 7 ，在第一階段從回收的磷酸氫離子酸腐蝕磷礦顆粒（以氟磷灰石表示）生成磷酸二氫鈣（Ca（H2PO4）2）。在第二階段，形成的磷酸二氫鈣與硫酸反應(yīng)生成磷酸和不溶性硫酸鈣（石膏）。在反應(yīng)器中隨著磷礦顆粒溶解，硫酸鈣過飽和時，

12、形成石膏結(jié)晶等現(xiàn)象，包括成核和晶體生長。淤漿反應(yīng)生成的部分是導(dǎo)致固體硫酸鈣晶體從產(chǎn)生的液體磷酸機(jī)械分離過濾產(chǎn)生的。在這種情況下，大多數(shù)領(lǐng)域或工業(yè)在文獻(xiàn)描述中的生產(chǎn)安排以及在工業(yè)上程序列中所采用的（在文獻(xiàn) 3 有所敘述），利用一些相互關(guān)聯(lián)的反應(yīng)器和過濾，通常所產(chǎn)生的酸可部分回收到反應(yīng)器。以上的描述表明，工業(yè)磷酸的生產(chǎn)是通過相互作用的開發(fā)和在不同的處理元件之間的權(quán)衡的過程來實現(xiàn)的，以求獲得高產(chǎn)量的磷酸。磷酸鹽巖的溶解條件受到產(chǎn)品的回收速度的影響,進(jìn)而顯著影響硫酸鈣晶體的發(fā)展。所采用的反應(yīng)的數(shù)量和規(guī)模容器也影響著產(chǎn)量以及他們的原料在停留時間的損失，因為磷礦顆粒效果在反應(yīng)堆的大小和形狀石膏晶體以及未反

13、應(yīng)的固相量殘差影響過濾過程中的表現(xiàn)，對回收到的硫的組成和流量反應(yīng)堆有關(guān)系。這些僅僅是少數(shù)多方面參與的過程組件之間的相互作用，表明磷酸生產(chǎn)中發(fā)生的現(xiàn)象，多向傳播。結(jié)果，整個影響范圍內(nèi)引起這種相互作用，應(yīng)考慮在磷酸生產(chǎn)過程的設(shè)計階段。任何潛在設(shè)計方法，應(yīng)該允許發(fā)展模式，能夠明確地捕捉現(xiàn)有過程的相互作用以及提供場地的決定引導(dǎo)路徑出現(xiàn)的最佳的設(shè)計方案。2.2 建模與優(yōu)化框架目前，我們采用的建模和優(yōu)化在圖1所示的框架，為了提高系統(tǒng)磷酸生產(chǎn)工藝的設(shè)計性能。一個雙向迭代策略，針對雙方有效利用一個全面的過程模型的發(fā)展以及這個模型，以高度發(fā)展的系統(tǒng)開發(fā)執(zhí)行過程的計劃。磷酸過程模型使用通用程序模塊，為他們提供的功

14、能開發(fā)，促進(jìn)模型的發(fā)展和進(jìn)程優(yōu)化階段。模塊（在下面的章節(jié)中描述）代表通過包容性很強(qiáng)的方程組為了實現(xiàn)單元操作發(fā)生的磷酸酸的生產(chǎn)工藝流程，而且進(jìn)程的任務(wù)設(shè)置代表著進(jìn)程，代表著模塊，是相互關(guān)聯(lián)包容各方的網(wǎng)絡(luò)流的過程。模擬提供了機(jī)會，評估根據(jù)現(xiàn)有的工業(yè)/實驗?zāi)Ｐ偷奶攸c記錄過程數(shù)據(jù)。功能會導(dǎo)致模型性能不佳，成為進(jìn)一步需改善的目標(biāo)。此外，設(shè)有被視為不必要的范圍，可能導(dǎo)致見解進(jìn)行調(diào)查，可以排除其外迭代循環(huán)。迭代過程將繼續(xù)，直至實現(xiàn)所需的模型結(jié)果和工業(yè)/實驗數(shù)據(jù)之間的匹配。確定了流程模型有效性后，它在模擬器優(yōu)化過程中被用作其開發(fā)模擬器的優(yōu)化框架。工藝設(shè)計和優(yōu)化的理念在這項工作中使用的是基于以前的工作，在文獻(xiàn)1

15、1,12尋址反應(yīng)分離和分離過程的優(yōu)化，分別采用隨機(jī)搜索方法。每個隨機(jī)生成的狀態(tài)，代表一種特定的磷酸的工藝方案，是模擬使用的模型，然后在目標(biāo)函數(shù)和約束違反條款進(jìn)行評估。在適當(dāng)?shù)臎Q策準(zhǔn)則，利用優(yōu)化算法的實施，大量的篩選過程計劃，直到該算法的終止和識別最佳工藝配置就達(dá)到了。該工藝流網(wǎng)絡(luò)，添加或去除的拓?fù)涞奶幚砣蝿?wù)和流流速分布可以采用其他設(shè)計參數(shù)，為優(yōu)化設(shè)計變量。作為一個結(jié)果，參與過程的組成部分之間的相互作用和權(quán)衡的深入探討，得到的最佳工藝流程的設(shè)計見解的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化搜索過程中產(chǎn)生的。該框架允許進(jìn)一步的設(shè)計要進(jìn)行迭代，因此，通過將它尚未把握的獲得的知識 再在工藝設(shè)計。迭代過程允許工藝特點缺乏積極的設(shè)

16、計的影響被刪除，而有用的功能，可以通過精致的設(shè)計約束和偏見，除了進(jìn)一步探討。圖1 建模與優(yōu)化框架2.3流程描述和建模的概念所提出的設(shè)計框架中的一個關(guān)鍵因素是使用磷酸為代表的通用過程模塊酸生產(chǎn)過程，因為他們將促進(jìn)發(fā)展包容性的進(jìn)程模型以及確定最佳的設(shè)計方案。本工作采用了通用模塊化反應(yīng)/質(zhì)量交換單元，稱為RMX設(shè)備9、10，靈活和緊湊的合成發(fā)生在磷酸生產(chǎn)的現(xiàn)象流程中。單位遵循離子的概念反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合開發(fā)13、14。它由在系統(tǒng)中的每個階段或狀態(tài)，目前的劃分根據(jù)調(diào)查和進(jìn)入劃分的流跨階段或擴(kuò)散邊界的交流質(zhì)量。每個劃分接收在其規(guī)定的進(jìn)口和交流的質(zhì)量流與其他規(guī)定在跨越規(guī)定邊界的劃分。從劃分內(nèi)的污水，要么離開單

17、位或內(nèi)反應(yīng)結(jié)構(gòu)。圖2所示一個RMX設(shè)備的示意圖?，F(xiàn)象，如質(zhì)量或熱交換，動力學(xué)方程，汽-液-固相平衡等，在模擬圖內(nèi)參考圖2?；祛l器和分離器前和劃分模塊，分別擔(dān)任數(shù)據(jù)流和源傳入和傳出的過程流，從而促進(jìn)互聯(lián)互通模塊。讓SEM是集合RMX單元包括一磷酸 生產(chǎn)流程。下列方程組提供質(zhì)量平衡實現(xiàn)的通用表示工藝流程： 攪拌機(jī)的質(zhì)量平衡： 質(zhì)量平衡的RMX單位 ：質(zhì)量平衡分離器：總質(zhì)量流量：體積流量：成分濃度：圖2 RMX單元概念圖式表征圖3顯示了使用的變量的方程式。2.4.功能應(yīng)用方法的表示存在的質(zhì)量在不同階段的劃分之間的交流可以建立或刪除。這使得反應(yīng)和傳質(zhì)現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)之間通過設(shè)置aci,p,l =&

18、#160;0.的劃分。在這種情況下RMX設(shè)備降低到一個混合反應(yīng)器（圖4a）。通過適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)操縱和傳質(zhì)方程（4）可以實現(xiàn)各種組合之間的劃分，如同時存在的一種反應(yīng)和非反應(yīng)的單位之間的傳質(zhì)，（圖4b）或兩個非活性單位與傳質(zhì)（圖4c）。通過妥善處理aci,p,l (+ or )的標(biāo)志，它是可能的表明之間的傳質(zhì)方向的劃分。圖4在單、雙相體系的活性和非活性單位的存在：(a)單相無功的單位；(b)兩相reactivenon反應(yīng)單位；(c)(b)兩相功單位（4）式中的反應(yīng)和傳質(zhì)特性允許的狀態(tài)，從而導(dǎo)致在磷酸生產(chǎn)流程建模的不同級別的細(xì)節(jié)設(shè)計隔離。圖5展示這樣的一個例子，在一個單一的

19、相反應(yīng)單元可以在一個兩相非反應(yīng)單元相同的流程并存。所采用的過程表示的另一個重要特點是允許的互聯(lián)單位用于流程中，表示程度高。所有可能的組合的連接單元包括流程中的實現(xiàn)。圖6顯示模塊之間的潛在聯(lián)系的一部分，包括循環(huán)圖5。在同一流程單和兩相單位存在。和旁路流，側(cè)進(jìn)料和副產(chǎn)品的選擇。回收或繞過也可實現(xiàn)的不同階段，但有一個額外的單位，允許的相位變化操作的實現(xiàn)。更多的連接，實現(xiàn)在圖6是可能的，但并不以維持該圖所示清晰度。圖5.在同一流程單和兩相單位存在圖6.潛在的互連工藝RMX單位的組合3. 磷酸生產(chǎn)過程的現(xiàn)象表示正如前面所討論的，兩個主要的操作中使用的磷酸生產(chǎn)的反應(yīng)和過濾。在反應(yīng)階段中，隨著磷礦進(jìn)入反應(yīng)器

20、由于硫酸以及回收磷酸與之作用轉(zhuǎn)化為磷酸。這一現(xiàn)象以及相關(guān)的假設(shè)已通過參考文獻(xiàn) 7 徹底的討論，參考文獻(xiàn) 7 以數(shù)學(xué)描述磷礦顆粒的溶解組。隨著磷礦溶解，硫酸鈣的過飽和導(dǎo)致的核，逐步成長為完全形成的石膏晶體的形成。參考文獻(xiàn) 7 提出的模型的硫酸鈣的過飽和度和晶體生長速率，而產(chǎn)生的晶核數(shù)目以及晶體的特定表面的建模使用的參考文獻(xiàn) 3 提出的方程。用于磷酸生產(chǎn)過程一部分的水在反應(yīng)蒸發(fā)。蒸發(fā)是主要歸因于從反應(yīng)料漿硫酸稀釋所產(chǎn)生的熱。參考文獻(xiàn) 3 提出的反應(yīng)器中的水蒸發(fā)模型的實證方法。在公開發(fā)表的文獻(xiàn)的過濾器使用輔之以有關(guān)過濾效率假設(shè)的質(zhì)量平衡經(jīng)常建模。在這項工作中，我們提出了濾波器的模型方程，將兩者的泥漿

21、和過濾器組件的物理特性的使用。磷酸生產(chǎn)中，普遍使用的是過濾式旋轉(zhuǎn)真空過濾器。過濾過程的實現(xiàn)幾個階段作為濾波器的旋轉(zhuǎn)。在最初的幾個階段的漿料洗滌每次使用前一階段得到的液體，而在最后階段用清水。一旦固已充分耗盡他們?nèi)コ驒C(jī)械。在這樣的背景下，設(shè)計方程在文獻(xiàn) 15 提出了可應(yīng)用于每個過濾階段模型的濾波操作。4. 工業(yè)的案例研究所使用的建模和優(yōu)化的框架說明通過工業(yè)感興趣的一個廣泛的案例研究，對現(xiàn)有的單級的實際運行數(shù)據(jù)脫水磷酸生產(chǎn)過程，一個類似于在文獻(xiàn) 3 的描述，是可用的。案例研究的目的是驗證所提出的框架，在濕法磷酸生產(chǎn)過程中的應(yīng)用設(shè)計過程以及設(shè)計方案的研究感興趣的工業(yè)用戶。我們首先討論的應(yīng)用框架的

22、實現(xiàn)在手工業(yè)過程的有效的數(shù)學(xué)表示，并提出詳細(xì)的利用不同的設(shè)計案例研究的優(yōu)化策略。4.1生產(chǎn)磷酸的主要裝置采用磷酸生產(chǎn)廠的主要過程包括兩個CSTR反應(yīng)器的過濾過程。圖7提供了一個全面的多階段表示磷酸生產(chǎn)設(shè)備的利用進(jìn)行了案例研究。反應(yīng)堆代表組成的兩相體系反應(yīng)性漿、氣相室，而該濾波器由非反應(yīng)性漿和固相室。兩個循環(huán)源自濾漿相流LED的混頻器之前在磷礦硫酸形成反應(yīng)物在反應(yīng)器（SF1、SF2）也加入了。攪拌機(jī)的過濾器之前獲得等量的水（SF3）的過濾操作的要求，而產(chǎn)生的石膏晶體分離成漿固相。值得注意的是，反應(yīng)2代表的的是方程（1）和（2）磷酸生產(chǎn)。在反應(yīng)器1中中采用不同反應(yīng)是根據(jù)所提供的工業(yè)數(shù)據(jù)：（脫水）

23、(11) (結(jié)晶水） （12）圖七 工業(yè)磷酸生產(chǎn)過程的多階段模型過濾模型，在第3.6節(jié)中討論的，可以通過一系列的加工程序，即輸入的石膏進(jìn)行不同的處理條件來表示。這種條件主要包括石膏洗滌液中所造成的過濾特性再循環(huán)流，并導(dǎo)致圖7中的回收組分的濃度分化流1和2，在我們的建模方法，它假定該過濾器是一個單級過程不考慮固有再循環(huán)流。這些流中的在循環(huán)濃度的影響流1和2是通過假設(shè)各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)包含在這些數(shù)據(jù)流是固定的（由可用數(shù)據(jù)提供的工業(yè)操作規(guī)范），而它們的流速可能有所不同。它進(jìn)一步假定所生成的濾液僅由液相成分組成。 圖7中描述的單元之間的連接是通過方程（3）-（10）中使用的向量SFRi,j,p來實現(xiàn)的。

24、圖7的流程這個向量以圖8 的形式所示。大約50%的質(zhì)量流量的漿液過濾出口再循環(huán)到反應(yīng)器1中，在相同的流的質(zhì)量流量的20被回收在反應(yīng)器2，而其余30的離開過程中，通過產(chǎn)品流和被計算為使用該分離器的質(zhì)量平衡副產(chǎn)物。質(zhì)量流量下的反應(yīng)器中離開反應(yīng)器1和2，通過分離器的全部量（100）是導(dǎo)致后續(xù)處理單元。在每個處理單元的不同階段隔間之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，是通過圖8b中的aci,p,l來實現(xiàn)的。aci,p,l向量中的元素暗示了隔層間的質(zhì)量流量的方向。 (a) (b)圖8此過程中所執(zhí)行的SFRi,j,p和aci,p,l向量4.2.工業(yè)磷酸生產(chǎn)的優(yōu)化過程4.2.1.優(yōu)化方法概述采用建模的方法結(jié)果在流程模型中,將用于

25、現(xiàn)有磷酸生產(chǎn)過程的優(yōu)化。正如前面圖1所示,流程模型用于計算過程性能指標(biāo)的估計目標(biāo)函數(shù)的形式受到約束代表所需的性能限制。使用性能測量和約束是利用隨機(jī)優(yōu)化算法評估,因此引起決策路徑,將導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計選擇。執(zhí)行優(yōu)化的目的是尋求高性能的目標(biāo)的過程以及提出處理方案來實現(xiàn)這些目標(biāo)。現(xiàn)有工藝的簡單的結(jié)構(gòu)將通過在流程中的額外的結(jié)構(gòu)元件，表示為在最優(yōu)化問題的設(shè)計變量的摻入進(jìn)一步提高。因此，傳統(tǒng)的和新的結(jié)構(gòu)方案，將研究作為流程改進(jìn)性能的潛在的候選。4.2.2.目標(biāo)函數(shù)公式可以提高該過程的一個關(guān)鍵參數(shù)是磷酸在過濾器的產(chǎn)物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因為過濾后的磷酸進(jìn)一步濃縮將需要更少的能量，可以產(chǎn)生含產(chǎn)品的高價值的磷。可以結(jié)合包含

26、在產(chǎn)品流在過濾器中的石膏流和硫酸還原磷酸損失減少，使產(chǎn)品的純度增加。然而我們盡量減少磷酸在石膏流以及水和硫酸的量的損失的目的是最大化的增加磷酸在過濾產(chǎn)品中的含量。方程（13）給出了采用目標(biāo)函數(shù)，它是基于利用隨機(jī)優(yōu)化算法的要求制定：方程（14）（18）是一些約束的的表示。在石膏出口流和產(chǎn)品流中的磷酸石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須超過現(xiàn)有的工業(yè)過程（基本情況）。此外，在石膏和產(chǎn)品流的硫酸量不得超過現(xiàn)有的工業(yè)過程。最后，在產(chǎn)品流的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過1.5%：上述一系列約束條件和目標(biāo)函數(shù)是用以指導(dǎo)優(yōu)化搜索對處理方案,提高使用工業(yè)過程的性能。此外，它允許通過提高在設(shè)計處理選項產(chǎn)生多樣性的分析。繼利用建模和優(yōu)化框架，

27、通過實現(xiàn)連續(xù)的設(shè)計迭代設(shè)計的分析，如第2.2節(jié)中討論的，最終可能導(dǎo)致松弛的約束或加強(qiáng)，以確定所設(shè)計的加工中可能有用的權(quán)衡計劃。4.2.3設(shè)計變量 額外的處理任務(wù)和回收/旁通流，運行參數(shù)并躋身處理組件流的流速分布范圍存在作為設(shè)計變量，以便在執(zhí)行優(yōu)化過程中產(chǎn)生的處理方案不同的組合。所采用的設(shè)計和優(yōu)化框架的功能沒有被任何物理的或人工的約束的任何類型的，前面描述的設(shè)計選擇數(shù)量或組合可以任何期望的數(shù)值范圍內(nèi)的優(yōu)化搜索過程中可以變化的限制。在這種情況下，我們應(yīng)用中所采用的設(shè)計變量的上限和下限，以便控制設(shè)計的復(fù)雜性，但也考慮到容易實現(xiàn)從工業(yè)的角度看所提出的設(shè)計的。中可用的過程數(shù)據(jù)接近推出了優(yōu)化搜索很可能會導(dǎo)

28、致進(jìn)程計劃，更容易被工業(yè)用戶應(yīng)考慮實施。另一方面，更廣泛的優(yōu)化搜索被預(yù)期會導(dǎo)致更高的性能的方案，但也增加了設(shè)計的復(fù)雜性。除了在工藝操作參數(shù)范圍的實施，我們認(rèn)為一個上界包括工藝流程，如反應(yīng)器和過濾器的處理任務(wù)。我們還考慮在主動回收/旁通流的上限和下限（即可以通過流程來進(jìn)行材料）以及為這些流的流量分布。換句話說SFRi,j,p向量的元素之間的不同組合進(jìn)行調(diào)查，并進(jìn)行了優(yōu)化，其目的識別達(dá)到比現(xiàn)有工藝的最高可能的改進(jìn)范圍的組合。所采用的上界和下界列在附錄B。4.2.4通過模擬退火算法（SA） 隨機(jī)優(yōu)化方法以SA 16 中的形式用在本研究中。 SA是一個統(tǒng)計優(yōu)化冷卻技術(shù),生成一個偏置隨機(jī)搜索和采用蒙特卡

29、羅模擬變量概率下時間表。在SA,使用流程模型是用來模擬偏置隨機(jī)設(shè)計變量轉(zhuǎn)換實現(xiàn),因此產(chǎn)生的順序一代不同的處理方案。每個新生成的處理方案評估是基于概率的時間表是一個函數(shù)的使用性能指標(biāo)(目標(biāo)函數(shù))和一個SA算法變量稱為退火溫度。在退火溫度高,處理方案,可以改善或惡化之前評估的性能設(shè)計的概率可以被看作是一個潛在的優(yōu)化設(shè)計選項,因此引起以前未知的搜索方向。預(yù)先給定的目標(biāo)函數(shù)執(zhí)行評估在恒定的溫度下,以確保足夠的設(shè)計多樣化的實現(xiàn)優(yōu)化搜索。退火溫度逐漸降低,速度的性能已經(jīng)占調(diào)查過程計劃,執(zhí)行搜索是集中帶領(lǐng)的高度進(jìn)行設(shè)計選擇?；诮y(tǒng)計優(yōu)化搜索終止終止準(zhǔn)則,旨在確保最優(yōu)解決方案已被確認(rèn)。在這項工作中SA是繼其適應(yīng)分離過程中所參考文獻(xiàn)12的設(shè)計實現(xiàn)。僅舉幾例，SA在化學(xué)工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用包括工作在分子設(shè)計17,18和反應(yīng)/分離過程的合成 11 。5.工業(yè)過程建模和優(yōu)化結(jié)果利用現(xiàn)有的工業(yè)數(shù)據(jù)所采用的建模和設(shè)計框架的實施可分為如下五個建模和設(shè)計任務(wù)。最初，可用磷酸生產(chǎn)裝置的模型的計算，以測試所采用的方法的有效性。開發(fā)模型然后進(jìn)行優(yōu)化使用大量的設(shè)計和操作的選擇設(shè)計變量,目標(biāo)是調(diào)查結(jié)