（化学工程专业论文）c4分离序列综合优化研究.pdf

c 。分离序列综合优化研究 摘要 分离序列综合指：给定一进抖流股，已知流股状态( 流量、温度、压力和组成) 系统的 化的设计出能从进料中分离出所要求的产品，并使总费用最小。 c 4 分离序列由于其组分沸点接近，较难分离。本文结合某厂c 4 分离系统节能改造，通 过该序列的优化综合，实现生产系统的节能。 本文的主要工作简述如下： 1 利用直观推断法和能量集成的策略，针对原系统拟定三个不同特点的初始节能分离 序列。 2 利用化工模拟软件对该系统进行了模拟。由于该分离系统结构较复杂，且各个分离 单元的分离任务和分离条件差别较大，本文对不同的分离单元采用了多个热力学方程和多种 方法的尝试，最终通过模拟结果与现场数据的吻合，确认各分离单元的热力学方程。 3 应用确认的热力学模型，对初始方案进行模拟，并利用灵敏度分析和轮换变量法对 初始方案中分离序列中关键操作参数进行讨论和优化，确定优化参数。结果表明三个用能优 化序列均可完成分离任务，且具有一定的节能效果。 4 上述节能序列均从该系统内一子系统用能情况来考虑。但若从全系统考虑，仍然存 在较大的节能潜力，后续工段中的一乙腈回收塔所分离物系物性稳定，有利于提压操作，提 压后塔顶蒸气可以作为其它塔底再沸器热源，同时塔底釜液热量也要进行回收。通过全系统 热集成可显著提高以上序列的用能完善程度。 5 对b p 人工神经网络的设计参数和训练过程进行分析，并结合任务分解法的思想， 利用b p 人工神经网络对其中一用能优化序列建立黑箱数学模型。神经网络模型预测结果与 a s p e n 模拟结果的误差表明该模型能够满足模拟该过程的要求。 6 分析遗传算法的机理，用m a t l a b 建立改进的遗传算法并通过测试函数的测试。用该 算法对人工神经网络所建立的数学模型进行优化。比较遗传算法和轮换变量法优化结果，表 明神经网络和遗传算法相结合能够对分离序列进行优化，对工程应用具有一定的指导作用。 关键词：分离序列；人工神经网络；遗传算法；模拟；优化 c 分离序列综合优化研究 a b s t r a c t s e p a r a t i o np r o c e s ss y n t h e s i si sam a n i p u l a t i o n t od e a lw i t hm i x t u r e st ob es e p a r a t e da tt h el o w e x p e n s eo fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dc a p i t a lc o s t a n di t i so f t e nu s e di nt h ep r e t r e a t m e n to fl a w m a t e r i a l ，t h ep u r i f i c a t i o no f t h ep r o d u c t ，t h ed i s p o s a lo f s c r a p ，e t c d u et ot h ec l o s eb o i l i n gp o i n t s c 4h y d r o c a r b o n sa r ed i f f i c u l tt ob es e p a r a t e d i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gw i t ht h er e f i tp l a ni naf a c t o r y , t h ee n e r g ye f f i c i e n c yo f t h ew h o l es e p a r a t i o ns y s t e mi s i n c r e a s e dt h r o u g hs y n t h e s i sa n d o p t i m i z a t i o no f t h es e p a r a t i o ns e q u e n c e ， t h es i xp o i n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i t h ed r a f ti sd e s i g n e db ym e a n so ft h et o o lo fh e u r i s t i cr u l e sa n dt e c h n i q u eo fe n e r g y i n t e g r a t i o n 2 t h ec 4h y d r o c a r b o n ss e p a r a t i o ns y s t e mi ss i m u l a t e du s i n gt h es i m u l a t o ra s p e np l u s f o re a c hu n i t ，t h et h e r m o d y n a m i c sf u n c t i o ni sc o n f i r m e d 3 b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e n e r g ya n a l y s i so f t h es y s t e m t h ep l a n sa r es i m u l a t e d w i t ht h ee s t a b l i s h e dt h e r m o d y n a m i c sf u n c t i o n s ，a n dt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e db yt h e s e n s i t i v i t ya n a l y s i s c a l c u l a t i o ns h o w s t h a ta l lo ft h ep r o p o s e dp l a n sa r ea p p l i c a b l et oe f f e c t i v e l y s e p a r a t e dt h em i x t u r e s a tl o w e re x p e n s eo f e n e r g yc o n s u m p t i o n 4 t h ea c e t o n i l t r i l er e c o v e r yc o l u m ni sc o n s i d e r e dt oi n c r e a s et h eo p e r a t i o np r e s s u r e t h e e n e r g yi n t e g r a t i o np l a ni sd e s i g n e d t of u r t h e ri n c r e a s et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo f t h ew h o l e s y s t e m 5 m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o ni se s t a b l i s h e dw i t ha r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k c a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h em o d e lc a ns i m u l a t et h ep r o c e s sr i g o r o u s l y 6 am o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h em o d e lb ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i t s h o w st h a tt h es e p a r a t i o np r o c e s sc a nb eo p t i m i z e dw i t ht h ee s t a b l i s h e dm o d e la n do p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m k e yw o r d s ：s e p a r a t i o ns e q u e n c e ；n e u r a ln e t w o r k ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；s i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n i i c 分离序列综合优化研究 0 前言 在能源紧张，原材料短缺及环境质量恶化日趋严重的情况下，工程技术正逐步从单 元技术向系统技术方向发展。过去以单元操作为基础的传统工程设计方法已无法适应时 代的要求，过程系统工程这门综合性的边缘学科也因此产生，并得以迅速的发展。过程 系统工程是一门关于如何计划、设计、运行和控制化工过程的决策方法论的技术科学， 是将系统工程学的理论和方法应用于化工领域的一门新兴的边缘学科。过程系统的能 量综合与优化是化学工程、系统工程和计算机科学等学科的交叉研究领域，是近年来从 过程系统工程中发展起来的最活跃研究领域之一。过程系统的能量综合与优化本质上是 过程系统的设计优化问题。 随着世界性能源危机的不断加剧，石油价格和原材料价格都大幅度提高。尤其在我 国能源资源不很丰富，人口众多，人均能源占有量少，同时能源利用率也较低，当前我 国工业的发展越来越受到能源不足等基础条件的制约，“开源”受到资金的不足和资源 储备的限制，据预测“，我国在本世纪末原油总需求量为1 8 亿吨，自产原油量仅1 3 5 亿吨左右，能源供需矛盾十分突出，而过程工业一尤其是石化行业用能叉存在着严重的 浪费现象。我国过程工业的用能水平和经济效益比世界先进国家的普遍偏低，这同我国 过程工业领域的工艺技术水平、生产规模、加工深度、企业管理水平和系统技术水平的 相对落后密不可分。据统计，我国的单位产品能耗比发达国家高3 0 9 0 ，某些单位产品 的能耗是发达国家的3 4 倍。因此，“节流”( 节约能源) 是解决我国当前能源不足问题 的最现实可行途径。 化工生产过程中混合物的分离操作使能耗较高的过程，多组分混合物存在多个用能 水平不同的分离序列，因此分离序列综合的目的是将混合物分离成所要求的产品，并使 分离的总费用最小。在化工生产过程中，分离操作在全厂的设备投资费和操作费中所占 的比重很大。有人估计分离过程所消耗的能量占整个化学工业用能的4 0 。所以，改进 分离过程的设计与操作，对于大幅降低能耗具有重要意义。在工程上，分离过程综合所 取得的实际效益是显著的。 近几十年来，由于计算机技术的高速发展，作为一项研究课题的人工神经网络和遗 传算法也得到了飞速的发展。尤其是在研究机理比较复杂的化工精馏方面，应用范围日 益广泛。这就为化工过程的模拟和优化提供了技术和方法。 本文首先对这些问题的有关文献进行了综合性的阐述。结合菜工厂碳四系统的分离 实例，针对原系统的用能问题，提出三种节能改进流程。并在此基础上，其中一种典型 的节能流程，采用新的方法进行优化。即由人工神经网络建立模型，用遗传算法进行优 化。对于分离序列综合问题的研究，期望能够有一定的进步。 c 分离序列综合优化研究 1 文献综述 1 1 概述”1 化学工业是国民经济的基础工业之一。通过化学反应工艺，合成和生产了数以万计 的化工产品，对于解决人们的吃、穿、用、住、行等起到了很重大的作用。但是，由于 地球上的资源过度地开发利用，大量地被消耗掉，引起了环境的污染、生态的破坏，致 使人类的生存繁衍受到了严重的威胁。因此人们既要为了开创美好生活而发展化学工 业，而又不能让它的生产过程和它的产品破坏生态环境。这正是当前化学工作者面临的 最大挑战，这就要迫使人们重新考虑和制定发展规划，必须开拓新的思维方式，创造新 的学科体系。当即将进入2 1 世纪，就化学工程而言，正朝两个方向发展：第一向微观 方面，逐步形成了分子化学工程“”；第二从宏观方向，正在形成化学系统工程。本文， 就化工生产大系统工程的研究对象、目标任务、主要课题及发展趋势作简要介绍。 1 1 1 2 1 世纪的需要 回顾人类社会发展的历史，就证明了“需要是发明之母”这条真理。创造发明又推 动了社会的进步。1 7 6 9 年，瓦特发明了蒸汽机，为人们提供了巨大的动力和能源，满足 了人类的物质需求，促使了中世纪的农业社会向近代工业化社会发展；1 9 5 1 年，诺埃曼 发明的电子计算机，为人类开发了智能，满足了人们对精神的需要，加快了工业社会向 信息化社会的进步。2 1 世纪是高度信息化和知识经济的时代。要求人们开拓新思路，建 立新理论，探索新方法，进行创造性的开发研究。过去，绝大多数的人们，从事工程研 究，注重开发新产品。进入2 l 世纪，为了解决自然环境、生态破坏、资源短缺、能源 紧张、人口膨胀、食粮不足等问题，要求人们不仅从工程技术角度，而且要以自然科学、 社会科学、人文科学为基础，创建新的整体的大的系统工程，这样，才能使地球系统得 到维持、发展和再生。让人们愉快地生活在清新、和谐的优美大环境之中，使人类与自 然共同生存和发展，推动人类社会的进步。 1 1 2 传统的化学工程 传统的化学工程主要是研究物质的物性、平衡、物理化学变化、能量的传递过程， 特别是研究化工过程系统的物料流、能量流中发生的基本规律。以化学反应工程为核心， 选择技术先进、经济合理的生产方法，确定工艺流程及相应的设备、机械、仪表、电气 等控制的晟佳方案，达到优质高效的生产水平。即高转化率、强选择性、低能耗少物耗 ( 单耗) ，大幅度降低生产成本，提高产品质量，增大市场竞争能力，以获得高额利润 和最大的经济效益和社会效益。这样，传统的化学工程只局限于一定范围内，以生产化 c 分离序列综合优化研究 工产品为中心，以消耗一种或几种物质而变成另外的化工产品。只考虑了人类的某一方 面的需要，而忽视了自然因素，造成了环境污染、公害严重、生态破坏、资源短缺等恶 果。为了彻底解决上述问题，必须以地球系统的大环境为前提，建立新型的整体系统， 采用更先进的科学方法才能更有效地发展化学工程学。 1 1 3 化工生产大系统工程 化工生产大系统工程( 简称新化学系统工程) 是现代化学工程的一门新兴学科分支。 它是随着系统工程的发展而形成的。换句话说，化工生产大系统工程是采用系统工程的 方法和成果在化工过程中加以运用。系统工程学是以系统( 特别是大系统) 为研究对象， 根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、策略、方法和手段 等从横向方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机技术对 大系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，而达到最优 设计、最佳控制和有效管理的目标。化工生产大系统工程就是用系统整体观点和系统工 程方法，建立这个大系统的数学模型，应用电子计算机技术来研究化工过程的开发、设 计、最佳操作和最优控制，获得最大经济效益。 1 1 3 1 化学系统工程特征 化工生产大系统工程具有阶层性、相对性、复杂性、整体性和综合性等特征。具体 任务有下列三个方面：1 对于现有大系统( 系统结构及单元设备均己知) 进行系统分析； 2 对有待设计的大系统进行系统合成；3 实现化工大生产过程系统的最优化。为了完成 上述任务，必须要进行如下几个主要工作：l _ 化工系统分析；2 化工系统合成，；3 灵敏 度分析；4 化工系统最优操作。通常采用数学模拟方法，建立数学模型，运用电子计算 机技术，确定化工过程模拟程序系统。现在，通用化工模拟系统已获得了广泛地应用。 已商业化的通用化工模拟系统主要有a s p e np l u s 、p r o c e s s 、f l o w t r a n 和m i c r o c h e s s 等。例如对合成氨系统模拟和甲醇合成系统模拟均已在工业上得到成功的应用，国外一 些大公司和企业大都配有自己的模拟系统。但是，上述成功的化工模拟系统仅仅是对某 一具体工艺过程或对某一生产产品而言的。在整个系统中几乎没有考虑环境、自然、市 场、需求等诸多因素的影响。 l - 1 3 2 大系统工程特征 化工生产大系统工程，除了包括上述的化工模拟系统之外还必须建立包括人类和自 然在内的自身维持系统，采用创造性的研究方法，解决地球大系统存在的问题，使地球 系统充满无限的生命力获得再生和发展，再返回到自身维持系统，保持一种新型的稳定 的共生平衡状态。像细胞和生命体那样可以自我复制、自我修复、自我遗传、自我发展。 c 分离序列综合优化研究 因此，要求化学工程的志士同仁与其他各个学科的人员通力协作，共同研究，剖析原来 系统存在的问题，提出新型大系统模式，构成全新的自身维持系统。该大系统更加具有 创造性、整体性、复杂性、综合性等特点。具体内容包括下列几点： 1 把以前的化学和化学工程的实验研究成果的数据资料进行整理、完善，对原来提 出的化工模拟系统存在问题进行分析比较； 2 建立化学工程与其他相关的各学科( 例如，城市工程、农业工程、环境工程、社 会经济等其他工程) 的关系，并探讨它们之间的关系规律，采用创造思维方式，建立新 系统的自我维持数学模型； 3 利用电子计算机或超大规模电子计算机及其网络技术求解；提倡科学决策、认真 实施、全盘考虑、相互协作。可借鉴n a s a 的宇宙开发的经验和教训。 由于高新技术的进步，智能计算机正在进一步完善和提高，扩大了人们开发研究的 创造性和综合能力，有利于揭示物质世界的本质。为了实现地球系统的再生和发展，这 就需要化工生产大系统工程发挥越来越大的作用。 1 1 4 研究成果和方向 1 1 4 1 已有的研究成果 化工生产大系统工程尚处于起步阶段，现己取得了某些引人注目的研究成果。例如， 美国科学顾问j o h nh g i b b o n s 在首届总统绿色化学挑战奖的颁奖大会上高度赞扬工 业、学术、政府各部门科学家之间的合作，在防止污染、保护环境方面所取得的成果” 把绿色化学挑战奖分别授予他们，表彰他们为地球系统的再生和发展作出的重大贡献。 s m a l lb u s i n e s s 奖授于d o n l a r 公司，它们开发成功了二种高效工艺流程生产一种生物降 解剂一一热聚天冬氨酸酯；a l t e m a t i v er e a c t i o nc o n d i t i o n 奖授于d o w 化学公司，他们 开发并在商业上采用纯的二氧化碳作为发泡剂生产泡沫聚苯乙烯：a c a d e m i c 奖授于 t e x a s a & m 大学的化学工程教授m a r k th o l t z a p p l e ，表彰他成功地开发了一种新技术， 将废生物质通过微生物发酵处理，转化为挥发性的脂肪酸盐，可作为动物饲料、工业试 剂或燃料；d e s i g n i n gs a f e rc h e m i c a l 奖授于r o h m & h a s s 公司，他们成功开发了易降解 化合物s e a - - n i n e 2 1 1 ，在海水中的半衰期为1 天，可防止微生物在海轮船体上繁殖生长， 减少航行阻力，能节省每年的燃料费用达3 0 0 多万美元，且没有慢性毒性，不会污染海 洋；a l t e r n a t i v es y n t h e t i cp a t h w a y s 奖授于m o n s a n t o 公司，它们开发成功了一种先进的 工艺合成亚胺二乙酸二钠( d s i d a ) ，采用二乙醇胺为原料，代替传统的易污染环境和有 毒的原料( 氨、甲醛、氰化氢和盐酸等) ，在铜催化剂上发生脱氢反应，选择性高，无 副产物。工艺简单，操作方便，技术先进，成本低。此外，在固定二氧化碳方面好取得 不少突破 7 】，可合成异氰酸酯类和碳二亚胺类化合物，即将工业化【8 】；净化海洋促使海 c 分离序列综合优化研究 上浮游生物生长，降低大气中二氧化碳浓度9 1 ，有效防止“温室效应”等等不胜枚举。 1 t 4 2 大系统工程的研究方向 这些获奖项目的共同点是应用全局的大系统( 地球、环境、生态、社会、经济等) 观点，以可持续发展的战略思想为前提，对各自的化工过程进行系统分析、系统优化和 系统合成，有的通过目标函数( 亦称经济模型) ，描述经济指标与过程变量的关系作为 决策的依据，采用系统模型( 约束方程) 对决策进行约束，达到过程的最优化：有的则 是采用人工智能系统( 专家系统) 对化工生产大系统进行合成，确定最佳的工艺过程； 还有的是建立新型模拟仿真系统，大大缩短了实现工业化的过程。上述较为成功的研究 成果，不仅仅是选择课题时与自然环境、社会经济、市场需求、资源状态等有机结合起 来构成一个完整的系统来考虑，而且，在建立化工模拟系统的数学模型时，实现工业生 产过程中，把环境因素、资源消耗、能源利用、供需网络、管理过程等各种多变因素都 归纳一起综合处理。这些都是当前绿色化学革命的热门课题。 为了地球系统的再生和发展，进入2 1 世纪，应该优先开展下列课题的研究： 1 用社会科学和风险评估对经济发展进行较佳选择； 2 对环境进行监测分析，了解现在生态系统的破坏程度，以利于采取有效对策； 3 开发研究新的化学产品不应污染环境： 4 从保护环境、美化环境的观点对待能源系统和资源系统： 5 采用系统工程与生态学的方法，构成自身维持系统，尽量减少资源损耗和破坏， 提高原料利用率，使原料消耗与产品生产构成较为稳定的平衡状态； 6 寻求人口与消费之间的关系以降低人口增长对环境、资源等的影响，确定人类与 自然和谐共存的最优状态等等。 上述重大课题是面临人类生死存亡的关键。这迫切需要全世界的全人类共同努力， 才能有效完成。其中化工生产大系统工程应与其他学科紧密配合，发挥优势，承担应有 的责任。 1 ，1 4 2 大系统工程研究挑战 当前，化工生产大系统工程的主攻方向是【l o 】：1 通过智能管理和多级控制来提高选 择性和生产效率。采用微至纳级( 1 0 4 ) 的控制过程，建立自身维持系统，使现有生产 过程达到一个新水平。由具有超分子块的多功能元件，实现自我生成、调制、复制、传 递等操作。还可以采用特殊的供能方式( 例如，微波或超声波等) 用于局部过程和生产 过程。这样就可以建立： 1 完全计算机化、适宜的模拟化、遥感遥控系列化的新型生产装置，形成新一代的 “智能化”的化工新体系； c 分离序列综合优化研究 2 利用科学原理和新型生产模式设计并建造经久耐用、完全可靠、清洁价廉、易于 控制的新一代的装备； 3 发展以固态技术为特征的“配方工程”，提高产品质量： 4 计算机化的化学工程广泛普遍的应用。 计算机网络技术以及新一代的智能计算机将在化工研究和过程开发等广大范围内 发挥更加显著的作用。然而，现在化学系统工程发展所遇到的至关重大的严重问题是人 们所建立的复杂模型与工程师面临的工厂生产实际相差较大，很不协调，即理想( 理论) 与实际偏差较大。因此，应该尽快找出真正的原因给予解决。化学工程师们正在努力， 将从整体方面，从更完整的层次上，建立新型的综合性的自我维持系统，防止对局部的 细节过分追究，抓住核心问题，探究化学工程的本质规律。这就是化工生产大系统工程 最重要的目标和任务。只有创造性的工作，开拓新思路，奋发进取才有可能完成。在理 论上有所建树，在实践上不断完善。 1 2 过程模拟与优化的发展趋势 u 1 2 1 过程模拟与优化 在化工设备的控制与设计过程中，复杂化工过程的计算机模拟与优化已经得到了越 来越多的应用。流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化， 还是过程系统综合，都是以流程模拟为基础。工业规模的模拟过程包括了由代数微分方 程组成的大型系统的求解，而这一过程具有非常高的计算复杂性，需要占有大量的计算 时间。目前，单台计算机无法令人满意地完成许多大规模化工过程模拟与优化问题的求 解工作，因此，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，将并行计算的思想引入大型化 工过程模拟与优化问题的求解过程，应用高级计算机体系( a d v a f i c e dc o m p u t e r a r c h i t e c t u r e ，a c a ) 进行计算，从而大大提高计算能力，已经成为在该领域内的一个热 点。 此外，按过程系统模型的计算模式不同，可分为模拟型、设计型和综合型。如果考 虑模拟对象所要求的特性与时间的关系，又可分为稳态模拟与动态模拟。稳态模拟是化 工流程模拟研究中开发得最早，应用最为普遍的一种重要技术，它主要包括物料和能量 衡算，设备尺寸和费用计算以及过程的技术经济评价。从数学的角度来看，其实质是求 解一非线性方程组。动态模拟则主要应用于研究各种过程动态特性，例如：研究过程参 数随时间变化的规单元模块方程，流程联结方程和约束方程( 姐原料组成、流量、规定 产品纯度等) 构成律，从而得到有关过程的正确设计方案或操作步骤。动态模拟的发展 较稳态模拟晚l o 年左右，且一直沿着两个方向发展：设计型动态模拟系统和操作培i j i i 型动态模拟系统。 c - 分离序列综合优化研究 表1 1 p s e 2 0 0 0 会议中动态及批处理过程系统工程论文 t a b l e1 1t h ep a p e r sa b o mt h ed y n a m i ca n d p a t c hp r o c e s ss y s t e me n g i n e e r i n g i np s e 2 0 0 0m e e t i n g 2 0 世纪不论是模拟分析还是实时优化都是基于稳态为主的，虽然这些技术基本上满 足了2 0 世纪过程工业发展要求，但到2 1 世纪就难以满足了。这是因为，一方面，过程 工业企业正在向数字化、实时化发展，管理一控制一体化并实时化以后，不能指望装置 中所有过程永远是稳态操作，许多时候有的装置处于变化的过渡过程之中，必须也能够 处理；另一方面，刚性制造系统向柔性制造系统发展，而柔性制造系统往往是批处理操 作或半连续操作，这类操作均违背稳态连续生产的规律。对于非稳态过程的研究，在2 0 世纪末已大为加强，这体现在p s e 2 0 0 0 国际会议发表的论文上，如表1 1 ，一共发表4 5 篇之多。 1 2 2 动态模拟与优化 稳态数据校正卜动态数据校正 jj 稳态流程模拟卜动态流程拟 i 基于稳态模拟卜基于动态的 的闭环实时优化实时优化 图11 稳态模拟向动态模拟的过渡 f i g1 1t h et r a n s i t i o no fs t e a d yp r o c e s ss i m u l a t i o ni n t od y n a m i cp r o c e s ss i m u l a t i o n 2 0 世纪基于稳态过程模拟与实时优化的技术已发展得比较成熟，而且已经商品化。 一些著名的软件供应商，如a s p e nt e c h ，h o n e y w e l lh i s p e c ，m d c 等都宣称已有几套 至十几套的实施经验。但是由于实际化工、炼油、冶金等工艺过程均有管理过程滞后时 间，混合的动态学特征及经常受到外来干扰，传统的以稳态过程为基础的模拟和实时优 化已不能满足实践需要，最近的发展趋势是：将稳态流程模拟系统扩充改进，使之有动 态模拟的能力。操作培训用的动态模拟系统的发展方向是“全厂模拟”，不仅包括全部 工厂流程，而且包括公用工程辅助系统及人一机界面仿真器，不仅可以用于培训，而且 可以用于自动控制，故障诊断，局部失效等试验。2 l 世纪过程模拟必然向基于动态的数 据校正一动态过程模拟一动态实时优化方向发展，如图1 1 所示。 c 分离序列综合优化研究 1 2 2 1 动态数据校正 动态数据校正虽然己发表过一些研究论文，但当前仍是处于方法探索阶段，从 p s e 2 0 0 0 会议发表的三篇文章中可以大致看出这一点。其中两篇都只用最简单的连续搅 拌槽式反应c s t r 为例子来验证自己提出的方法。相对而言，清华大学提出的集成动态 数据校正法，则处于领先地位。他们用正交配位法在不丢失测量信息条件下降低了问题 的复杂性，用滤波方法来消除输入变量中的随机误差，用鲁棒估值器原理来侦破大过失 误差d 2 1 。动态流程模拟的发展比动态数据校正要成熟得多，已有一些可供选用的商品化 软件，如h y d r o t e c h 公司的h y s y s ，a s p e nt e c h 公司的a s p e nd y n a m i c s 等。当前研究 工作课题是应用动态模拟来解决装置发生事故的紧急排放动力学和与自动控制策略的 集成应用。 1 2 2 2 动态实时优化 表1 2 基于稳态模型的动态实时优化 t a b l e1 2t h er e a l - t i m eo p t i m i z a t i o no f d y n a m i c p r o c e s sb a s e d o ns t e a d ym o d e l 比较项目 基于稳态模型的h o n e y w e l l p r o f i t 卡耐基梅隆 实时优化 o p t i m i z e r 数字模型稳态严格机理模利用模型预估控制m p c 的动态严格机理模 型 经验模型型 是否要求过程处需要不需要 不需要 于稳态 最优化算法逐次定二次规划半正定二次规划s q p 最优化计算结果一组最佳控制变一组最佳c v 值 量c v 值 计算频度每o 5 4 小时算一每分钟算一次聚合- 物牌号变换 次时计算 建模难易可用通用流程模初始开发相对容易没有通用工具可 拟器建模用，初始时最难 最新发表的动态实时优化有两种不同的方法：一种是h o n e y w e l l 公司提出的p r o f i t o p t i m i z e r 基于先进过程控制建模的方法；另一种是卡内基梅隆大学b i e g l e r 教授的基于 严格机理动态模型的方法，其差异的比较见表i 2 所示。 1 9 9 8 年h o n e y w e l l 公司在加拿大魁北克乙烯厂实旌成功p r o f i to p t i m i z e r ，据称使乙 烯产能增加了3 7 ，此后又完成了2 个乙烯厂，有6 个正在实施之中看来这种方法是 有效的，但由于并非立足于严格机理模型，其适应性是有限的，而且有多少效益来自先 进控制a p c ，有多少来自实时优化r t o 也难以说清楚。文献 13 】对9 万t 年低密度聚乙 烯装置开发了由5 3 2 个代数一微分方程组形成的动态数学模型。为了准确地描述这种高 压管式反应器，采用正交配位法将反应器分成4 0 个有限元，变量达到8 0 ，0 0 0 个以上。 & 分离序列综合优化研究 这种动态实时优化求解的优化结果不再是一组最优可控制变量c v 值，而是最优过程， 也就是一组随时间变化的变量曲线。这种动态优化把聚合物牌号变化引起的处方切换过 渡过程由5 小时缩短到1 6 小时，因而也使切换引起的不合格产品大为下降。 1 2 3 批处理过程系统工程 1 2 3 1 批处理过程研究难点 在化学处理工业( c h e m i c a lp r o c e s s i n gi n d u s t r y ，c p i ) 中，生产业务管理和管理一控 制一体化已经成为当今的研究热点。目前，关于离散制造操作的调度理论已经很好地建 立【1 ”。而批化工过程的管理调度未能得到较好的发展，多半因为所涉及操作的额外复杂 性及被处理物料的连续性质。连续过程适合于大批量的生产，而批处理适合于生产小批 量、多品种且产出价值较高的产品，且批处理显著的另一优点就是它固有的灵活性，即 通过对处理设备及不同生产资源的共享，在同一过程中生产多种产品，而且更适合处理 复杂的合成过程。化工批处理过程的研究目前存在以下几个难点： 1 由于批化工过程涉及多种生产资源，如原料、公共资源、中间存储策略、人力及 辅助设备，并且该过程产品中的物料从一种操作到另一种操作的转移( t r a n s f e r ) ，必须在 时间与数量上协调【l ”，此外还应考虑批量与路径的柔性，这些都应在过程模型中充分体 现，所以批处理过程比连续过程建模复杂。 2 计算复杂调度问题的求解受诸多因素的影响，如处理网络的结构，有无中间存储， 用于评价调度的性能判据等【l ”。当全面建模后。问题的规模也急剧增大。由于调度问题 大都是n p h a r d 的组合优化问题，求解时间随问题规模呈指数增长，为此，如何在模型 全面化与有效求解之间权衡，是批处理化工过程调度急需解决的问题。 一 3 动态性在批化工过程中，许多研究是在有限的假设下进行的，如忽略批量传输与 设备调整时间，假设整个过程只有一种中间存储( i n t e r s t a g es t o r a g e ) 等，并且在短期调度 中，总是假设所有被诵度的产品在一开始是已知的。然而，从c p i 的出发点应考虑：当 现在的调度正在运作时，一个或更多的产品可能要加入生产，因而对调度提出了动态的 要求。 1 2 3 2 批处理研究的新趋势 考虑到批处理的特点，受c i m ( 计算机集成制造) 思想的激发，有人倡导研究批处 理过程的生产业务管理和管理控制一体化，实现生产的自动化及同时实现资源的优化 配置。这方面，国际上已有了一定的研究成果( 1 9 j “，如m i t 开发的b a t c hd e s i g n k i t ， a s p e nt e e h 公司的a s p e nb a t c hp l u s ，a d v a n c e dp r o c e s sc o m b i n a t o r i e si n c 的v i te c s d e s i g n 等这些软件己在制药、特种化学品及聚合物生产中发挥了作用。国际上形成了几 c 分离序列综合优化研究 个著名的研究中心，如美国的p u r d u e 大学、英国i m p e r i a lc o l l e g e ，美国的麻省理工学 院、卡内基- 梅隆大学等。p s e 2 0 0 0 会上荷兰提出一种间歇操作分析方法来进行外扰的 管理，目的是识别外扰的原因及其后果，以便消除原因，减少负面后果i 引1 英国帝国理 工学院发表了“间歇过程操作的递阶结构集成”，提出了一个管理一控制一体化的五级 集成决策支持系统，并以半导体制造厂为例进行演示1 2 2 。这种系统可以很好地处理突 发性外扰( 如某个设备突然坏了) 这类管理问题。这种系统的特点是上下层次都采用单 一的模型，以便集成时不发生矛盾这个系统由五个层次及其对应软件集成而成，如图1 2 所示。 功能软件特点 i 中长期企业生产计划l gb o s s离线调度排产与在线监控平台 lf l 单个工厂的短期调度l gb o s s离线调度排产 it j 在线管理与监督控制i s u p e r b a l c h 在线调度排产与监视 if l 过程控制功能 i c o n t r o ll i n k 过程控制接口 lf l 工厂 lg p r o m 模拟间歇过程 图1 2 间歇过程操作的递阶集成系统 p i gi 2 t h eg r a d u a t i n gi n t e f a t i o ns y s t e mo fp a t c hp r o c e s so p e r a t i o n 我国在此方面的研究比较薄弱，只有浙江大学、天津大学做过一些研究工作。国内 的化工过程大多采用连续或半间歇生产模式。工艺流程基本不变，其生产管理调度的研 究主要集中于流程工业f 2 3 ，2 ”，而批处理过程调度的研究才刚刚开始。在市场经济的激烈 竞争下，批处理生产模式为企业快速适应变化的市场提供了选择，为此开展批处理调度 的研究，无疑具有相当的社会及经济意义。 1 3 过程集成技术的发展趋势 1 3 1 过程集成 过程集成( p r o c e s si n t e g r a t i o n ) 是过程系统工程一个的研究领域，其概念的提出始于 2 0 世纪7 0 年代，目前其定义、内容及方法仍在发展。国际上曾专门召开了几次国际会 议，会议名称为“理解过程集成”( u n d e r s t a n d i n gp r o c e s si n t e g r a t i o n ) 。有的把其称为“概 c 分离序列综夸优化研宄 念设计”【2 5 1 ，有的称其为过程系统的能量集成” 2 “，有的称其为“过程整合”【2 ”。 过程集成以“t a r g e tb e f o r ed e s i g n ”为特征，强调全过程的整体性，包括以能流为主线的 能量集成和以物流为主线的质量集成两方面内容。能量集成近年来已取得了巨大的进 步，已在石油、化工等诸多行业成功地应用。质量集成与能量集成相比，则起步较晚， 其形成的最初动机是预防污染。越来越严重的环境污染问题使得人们提出了预防大于治 理的策略，推动了质量集成的发展。 从狭义上看，过程集成技术最初是从能量密集型的过程设计中，以提高能量利用效 率为目标发展起来的。具体的其理论和方法产生于换热器网络综合问题的研究。最初是 以热力学第二定律分析为基础，用有效能的概念探讨能量的合理利用，u m e d a 【2 m 和 l i n n h o f f 2 9 1 相继在这方面作了开创性的研究工作。他们先后发现了过程系统内的能量流 动存在着“夹点”( p i n c hp o i n t ) ，后来l i n n h o f f 将这一发现应用于全过程系统的能量分 析及有效利用，逐渐形成了称之为“夹点技术”( p i n c ht e c h n o l o g y ) 的过程设计方法。 今天，夹点技术己成为最主要的过程集成技术。其精髓在于确定过程设计所能达到的目 标( 这些目标包括能量、设备、原材料费用以及柔性等) ，并将所确定的目标在实际的 设计中加以实施。目前夹点技术己在多方面取得了进展。 1 3 2 过程集成p i ( p r o c e s si n t e g r a t i o n ) 的发展趋势 9 0 年代总部设在巴黎的国际能源组织( i e a ) 成立p i 委员会，目的是开发推广p i 技术以节能和减少环境影响为宗旨，1 8 个国家参加了这个组织。据他们统计，世界上涉 及p i 的组织有3 5 个大学、科研及专业公司，这方面商品化软件达4 5 个。另外一个重 要p i 研究中心是英国曼彻斯特u m i s t 成立的“过程集成研究共同体p r i c ( p r o c e s s i n t e g r a t i o nr e s e a r c hc o n s o r t i u m ) ，已有2 7 个公司和大学参加其中j 。一 一 2 0 世纪的过程集成由换热网络节能发展起来，到2 0 世纪末重点己转移到质量交换 网络，特别是以节水减废为目标的过程集成。据报导，仅l i n n h o f f m a r c h 一家公司就已 完成了3 6 个水夹点项目，节水效益显著。炼油厂可以节水1 0 3 0 ，食品加工厂可节 约3 0 4 0 ，有的特种化学品厂甚至可节省6 0 。由于2 1 世纪对清洁燃料要求愈来愈高， 炼油厂加氢过程用的h 2 源十分紧张，于是氢夹点分析也日益广泛应用p “。 过程综合的另一发展特点是，2 0 世纪只谈稳态过程的综合，过程综合中不考虑系统 动态特性，但因为仅考虑稳态难以了解集成系统的可操作性和适应性，2 l 世纪将延伸到 动态过程集成。p s e 2 0 0 0 会上，f r a g a 等 3 2 1 将动态模型联接到面向对蒙离散规划技术 j a c a r a n d a 过程综合框架，计算了五组份的分离序列综合，同时考虑4 个优化目标： 1 总年度费用最小： 2 因进料扰动引起的最大偏离最小： 3 开车达到稳态操作时间最短： c 分离序列综合优化研究 4 因进料扰动返回稳态的时间最少。 结果发现是4 个优化目标达到最好时对应于四种不同流程。 1 4 分离序列综合 随着能源和原材料价格的大幅度上涨以及可持续发展的紧迫要求，使得分离序列的 综合这一问题深入研究和广泛应用于生产中显得尤为重要。作为系统集成的一个重要领 域，分离序列综合随着集成技术的发展近年来也取得到了长足的进步。 1 4 1 分离序列综合的发展 分离序列综合属于组合优化问题，当待分离的混合物的组分数增加时，可能的分离 序列数目会呈骤然增长，而各序列的投资与操作费用差异较大，所以从中选出最优序列 是一件非常复杂和困难的任务。近年来，人们提出了多种方法来搜寻最优分离序列，主 要通过减少搜索空间来快速地找到最优或接近最优的分离序列。例如：h e n d r y 和 h u g h e s t 3 3 】采用的最优化求解法，r u d d 等【3 4 】提出基于经验规则的直观推断法， w e s t e r b e r g 3 ”、c h e n g 和l i u 提出的采用试探法、调优法和数学规划法【3 6 。8 】等。 1 4 2 分离序列综合的描述 分离序列综合问题的定义可叙述如下：给定一进料流股，已知它的状态( 流量、温 度、压力和组成) ，系统化的设计出能从进料中分离出所要求产品的过程，并使总费用 最小。设计者面临两个问题：一是找出最优的分离序列和每一个分离器的性能；二是对 每一个分离器找出其最优的设计变量值，如结构尺寸、操作条件等，即分离序列的综合 是一个两水平问题，在塔系最佳化的同时，每个塔的设计也要最佳化。 分离序列最优化是在化工流程模拟的基础上发展起来的，不同的流程模拟方法结合 不同的最优化策略，就产生了不同类型的分离序列的综合策略。分离序列最优化问题表 达为： 目标函数： m i t f ( c q x ) 约束条件： s ( c o ，x ，z ) = o ( 流