化工優(yōu)化計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)

第六章化工優(yōu)化計(jì)算內(nèi)容1.技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)2.幾個(gè)化工單元操作優(yōu)化實(shí)例3.過程系統(tǒng)的優(yōu)化Companyname優(yōu)化問題的由來

優(yōu)化方法和理論來源于軍事，管理和經(jīng)濟(jì)。我國古代軍事天才孫武所著《孫子兵法》把軍事運(yùn)籌學(xué)的思想，理論和方法闡述得淋漓盡致，其中包含大量的優(yōu)化思想和方法。兩次世界大戰(zhàn)，尤其是二戰(zhàn)中提出的很多均是優(yōu)化問題，諸如搜索潛艇問題；護(hù)航問題；布雷問題；轟炸問題以及運(yùn)輸問題等等。二戰(zhàn)后，優(yōu)化方法的應(yīng)用由軍事問題轉(zhuǎn)入民用問題，提出了現(xiàn)代管理的理論和方法，如工程設(shè)計(jì)，計(jì)劃管理等等?，F(xiàn)階段，生產(chǎn)規(guī)模日益龐大，生產(chǎn)技術(shù)日益復(fù)雜，商業(yè)經(jīng)營日趨國際化，環(huán)境污染和生態(tài)問題日益嚴(yán)重。工程技術(shù)和管理人員人員面臨十分復(fù)雜的問題，迫切需要一種統(tǒng)籌兼顧，行之有效的科學(xué)方法來處理復(fù)雜的問題。前言Companyname前言優(yōu)化的意義和可行性在工業(yè)決策中，優(yōu)化技術(shù)是主要的定量分析工具。針對復(fù)雜的化工設(shè)計(jì)和工廠操作問題，通過優(yōu)化方法做出的決策比直接決策更為可靠、有效。在化工廠以及許多其他工業(yè)工程的設(shè)計(jì)、操作和分析中所涉及的大部分問題都可使用優(yōu)化方法進(jìn)行求解。如初始設(shè)計(jì)、優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備以強(qiáng)化其操作性能，達(dá)到產(chǎn)量最大、成本最小、能耗最低等目的。計(jì)算機(jī)及其相關(guān)軟件的發(fā)展使得優(yōu)化問題的計(jì)算不僅可行而且高效（二戰(zhàn)后興起，近幾十年來普及）。Companyname前言每個(gè)優(yōu)化問題都包含三個(gè)基本方面：至少有一個(gè)要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)（利潤函數(shù)、費(fèi)用函數(shù)等）；等式約束；不等式約束。所謂化工優(yōu)化設(shè)計(jì)就是采用優(yōu)化方法使化工過程滿足最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。這一最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)通常是指設(shè)備或裝置的年費(fèi)用為最小。在化工設(shè)計(jì)中確定某些參數(shù)時(shí)，需要考慮對設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的影響。Companyname前言化工裝置的年費(fèi)用=設(shè)備費(fèi)用+操作費(fèi)用。設(shè)備費(fèi)用：一般指設(shè)備的購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用、維修費(fèi)用按折舊年限分?jǐn)偟矫磕甑某杀?。操作費(fèi)用：指每小時(shí)生產(chǎn)所需的水、電、蒸汽等費(fèi)用乘以年開工小時(shí)數(shù)為每年的成本。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，因此可靠的定量計(jì)算需了解國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策和市場的價(jià)格走勢。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行化工的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，必須要有技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)或相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。由于物資的價(jià)格特別是鋼材和能源的價(jià)格隨市場變化很大，所以技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)不像物性數(shù)據(jù)是固定不變的，需要根據(jù)市場的發(fā)展不斷修正。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（1）按設(shè)備有固定的單價(jià)CS—設(shè)備的年費(fèi)用，元；SL—設(shè)備的數(shù)量，m2（或m3或kg）；DJ—設(shè)備的單價(jià)，元/m2（或元/m3或元/kg）；ZJ—設(shè)備折舊費(fèi)，1/年；f—相關(guān)的校正系數(shù)。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計(jì)算φ—設(shè)備尺寸的函數(shù)。根據(jù)不同的設(shè)備有不同的函數(shù)形式。如管殼式換熱器的計(jì)算公式為：AL—換熱器的傳熱面積，m2；a、b—設(shè)備的回歸系數(shù)。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計(jì)算換熱器形式回歸系數(shù)壓力校正系數(shù)f1材質(zhì)校正系數(shù)f2ab0.6MPa1.0MPa1.6MPa2.5MPa管程1Cr18Ni9Ti管程殼程均1Cr18Ni9Ti固定管板3340.730.890.9211.126.59.5浮頭式2760.811.056.59.5表6-1管殼式換熱器回歸系數(shù)和校正系數(shù)表Companyname6.1技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟(jì)數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)費(fèi)用（2）按系系列設(shè)設(shè)備公公式計(jì)計(jì)算碳鋼塔塔板的的精餾餾塔計(jì)計(jì)算公公式為為：f1—美元對對人民民幣的的匯率率；f2—塔板因因子系系數(shù)，，浮閥閥塔板板取1，篩板板塔板板取0.85，泡罩罩塔板板取1.59；f3—板數(shù)因因子，，N>20時(shí)取1，N<20時(shí)由f3=2.25/1.0414N計(jì)算；；N—實(shí)際塔塔板數(shù)數(shù)；D—塔徑，，m。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟(jì)數(shù)數(shù)據(jù)操作費(fèi)費(fèi)用CC—操作的的年費(fèi)費(fèi)用，，元；；DS—水的單單價(jià)，，元/m3；qW—水的耗耗量，，m3/h；DZ—蒸汽的單價(jià)價(jià)，元/kg；WZ—蒸汽的耗量量，kg/h；DD—電的單價(jià)，，元/(kW··h)；E—設(shè)備的動(dòng)力力消耗，kW；τ—年開工小時(shí)時(shí)，h。Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例求解優(yōu)化問問題的方法法往往根據(jù)據(jù)條件的不不同而各有有差異。如如目標(biāo)函數(shù)數(shù)只涉及一一個(gè)變量，，稱為單變變量優(yōu)化問問題，否則則為多變量量問題。這這里介紹的的化工單元元操作的優(yōu)優(yōu)化，都是是單變量的的優(yōu)化問題題。Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的的設(shè)計(jì)管路的優(yōu)化化設(shè)計(jì)是指指設(shè)計(jì)出使使整個(gè)管路路的設(shè)備費(fèi)費(fèi)和操作費(fèi)費(fèi)的年成本本最小的管管徑，對高高壓管路和和遠(yuǎn)距離管管線的設(shè)計(jì)計(jì)尤其重要要。管路特性方方程泵的電機(jī)輸輸入功率Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的的設(shè)計(jì)管路質(zhì)量：：m—管材質(zhì)量，，kg；δ—管壁厚度，，m；ρm—管材的密度度，kg/m3；F—單位質(zhì)量直直管的管件件折價(jià)數(shù)，，一般為1.4~6.75。Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的的設(shè)計(jì)費(fèi)用方程：：CZ—管路系統(tǒng)年年總費(fèi)用；；DJ—管路單位質(zhì)質(zhì)量的價(jià)格格（包括安安裝和維修修等費(fèi)用））。因此：管路路系統(tǒng)的年年總費(fèi)用CZ是管徑d的函數(shù)。Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例最佳管徑的的設(shè)計(jì)（1）極值法：：目標(biāo)函數(shù)數(shù)的一階導(dǎo)導(dǎo)數(shù)等于0。可以通過迭迭代上述方方程求解管管徑d，即為最佳佳管徑，但但該管徑需需根據(jù)管材材規(guī)格進(jìn)行行圓整。（2）窮窮舉舉法法：：把把不不同同的的管管徑徑（（按按管管材材的的規(guī)規(guī)格格））逐逐一一代代入入費(fèi)費(fèi)用用方方程程，，可可以以得得到到CZ?d的列列表表函函數(shù)數(shù)，，即即可可方方便便地地得得到到最最佳佳的的管管徑徑。。Companyname6.2幾個(gè)個(gè)化化工工單單元元操操作作優(yōu)優(yōu)化化實(shí)實(shí)例例換熱器冷卻水水出口溫度的的優(yōu)化用冷卻水冷卻卻某工藝熱流流體，當(dāng)換熱熱器的傳熱量量為已知，水水的進(jìn)口溫度度一定時(shí)，根根據(jù)傳熱計(jì)算算可知：冷卻卻水出口溫度度的高低將影影響傳熱溫度度差及換熱面面積，即影響響設(shè)備費(fèi)用；；同時(shí)冷卻水水的出口溫度度又影響冷卻卻水的用量即即操作費(fèi)用。。所謂最佳冷冷卻水出口溫溫度就是在此此溫度下，換換熱器的設(shè)備備和操作的年年費(fèi)用最小。。Companyname6.2幾個(gè)化工單元元操作優(yōu)化實(shí)實(shí)例換熱器冷卻水水出口溫度的的優(yōu)化由熱量衡算和和傳熱速率：：Companyname6.2幾個(gè)化工單元元操作優(yōu)化實(shí)實(shí)例換熱器冷卻水水出口溫度的的優(yōu)化費(fèi)用方程：CZ—換熱器年總費(fèi)費(fèi)用；DJ—換熱器單位面面積的費(fèi)用（（包括安裝和和維修等費(fèi)用用）。DS—每千克冷卻水水費(fèi)用（包括括動(dòng)力費(fèi)用））。ZJ—換熱器的折舊舊率，1/年；τ—換熱器年工作作小時(shí)，h。因此：管路系系統(tǒng)的年總費(fèi)費(fèi)用CZ是管徑t2的函數(shù)。Companyname6.2幾個(gè)化工單元元操作優(yōu)化實(shí)實(shí)例換熱器冷卻水水出口溫度的的優(yōu)化（1）極值法：目目標(biāo)函數(shù)的一一階導(dǎo)數(shù)等于于0。可以通過迭代代上述方程求求解t2，即為最佳冷冷卻水出口溫溫度。（2）窮舉法：把把不同的出口口溫度t2代入費(fèi)用方程程，可以得到到CZ?t2的列表函數(shù)，，即可方便地地得到最佳冷冷卻水出口溫溫度。上述計(jì)計(jì)算對K作為常數(shù)考慮慮，如把K也作為t2的函數(shù)，則計(jì)計(jì)算難度將增增加。Companyname6.2幾個(gè)化工單元元操作優(yōu)化實(shí)實(shí)例精餾塔最佳回回流比的確定定回流比是精餾餾塔設(shè)計(jì)和操操作的重要參參數(shù)，回流比比的大小直接接影響精餾塔塔的能耗及塔塔板的直徑和和數(shù)量。以常常規(guī)精餾塔（（泡點(diǎn)加料））為例。Companyname6.2幾個(gè)化工單元元操作優(yōu)化實(shí)實(shí)例精餾塔塔最佳佳回流流比的的確定定塔頂全全凝器器的冷冷凝熱熱負(fù)荷荷為：：塔底再再沸器器的汽汽化熱熱負(fù)荷荷為：：γC,γR—塔頂蒸蒸氣、、塔底底蒸氣氣的摩摩爾汽汽化熱熱，kJ/kmol；WZ—飽和水蒸氣氣用量，kg/h；γ—加熱蒸氣的的汽化熱，，kJ/kg。Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳佳回流比的的確定Gilliland關(guān)聯(lián)方程取取：Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳佳回流比的的確定塔板直徑應(yīng)應(yīng)為氣液負(fù)負(fù)荷的復(fù)雜雜函數(shù)，現(xiàn)現(xiàn)采用一種種簡單的形形式代入Companyname6.2幾個(gè)化工單單元操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)例精餾塔最佳佳回流比的的確定費(fèi)用方方程：：DZ—蒸汽的的單價(jià)價(jià)，元元/kg；DS—水的單單價(jià)，，元/m3；Companyname6.2幾個(gè)化化工單單元操操作優(yōu)優(yōu)化實(shí)實(shí)例精餾塔塔最佳佳回流流比的的確定定當(dāng)D、Rm、Nm、p和T等為已已知值值，其其他的的物性性和經(jīng)經(jīng)濟(jì)參參數(shù)也也為已已知值值時(shí)，，精餾餾塔的的年費(fèi)費(fèi)用CZ是R的函數(shù)數(shù)，最最佳操操作R同樣可可以通通過極極值法法和窮窮舉法法求得得。Companyname6.3過程系系統(tǒng)的的優(yōu)化化技術(shù)的的發(fā)展展使人人們認(rèn)認(rèn)識(shí)到到，要要把一一個(gè)裝裝置作作為整整體來來考慮慮，使使之能能耗最最小、、年費(fèi)費(fèi)用最最小和和環(huán)境境污染染最小小，達(dá)達(dá)到整整體設(shè)設(shè)計(jì)的的優(yōu)化化，稱稱為過過程的的集成成。通通常在在同一一裝置置內(nèi)有有多股股物料料需要要加熱熱，另另有多多股物物料需需要冷冷卻。。如果果把這這些物物料相相互匹匹配，，使熱熱流體體放出出的熱熱量提提供給給冷流流體加加熱，，這樣樣可以以大大大減少少加熱熱蒸汽汽和冷冷卻水水的耗耗量，，使能能量利利用率率大為為提高高。過過程集集成中中目前前最實(shí)實(shí)用的的方法法是夾夾點(diǎn)技技術(shù)。。Companyname6.3過程系系統(tǒng)的的優(yōu)化化溫焓圖圖和復(fù)復(fù)合曲曲線根據(jù)熱熱量衡衡算可可知，，溫度度上升升即流流體的的焓值值增加加，當(dāng)當(dāng)流體體的比比熱容容為常常數(shù)時(shí)時(shí)可寫寫為：：溫焓圖圖直線的的斜率率為1/(qm1cP1)。Companyname6.3過程系系統(tǒng)的的優(yōu)化化溫焓圖圖和復(fù)復(fù)合曲曲線復(fù)合溫溫焓圖圖Companyname6.3過程系系統(tǒng)的的優(yōu)化化夾點(diǎn)和和換熱熱系統(tǒng)統(tǒng)的集集成(a)Companyname6.3過程系系統(tǒng)的的優(yōu)化化夾點(diǎn)和和換熱熱系統(tǒng)統(tǒng)的集集成(b)Companyname6.3過程系統(tǒng)統(tǒng)的優(yōu)化化夾點(diǎn)和換換熱系統(tǒng)統(tǒng)的集成成(c)Companyname6.3過程系統(tǒng)統(tǒng)的優(yōu)化化系統(tǒng)熱集集成的目目標(biāo)函數(shù)數(shù)熱復(fù)合曲曲線和冷冷復(fù)合曲曲線的相相互位置置決定了了夾點(diǎn)溫溫差，同同時(shí)也確確定了需需要換熱熱器的個(gè)個(gè)數(shù)、傳傳熱面積積的大小小及冷卻卻水和加加熱蒸汽汽的耗量量。系統(tǒng)熱集集成的目目