浅谈化工生产中常用的几种化工设备

浅谈化工生产中常用的几种化工设备

优化方法（也称为运营方法）已经形成了几十年。它主要运用数学方法研究了不同系统的优化方法和方案，为决策者提供了科学决策的基础。最优化方法的主要研究对象是各种有组织系统的管理问题及其生产经营活动。最优化方法的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。实践表明,随着科学技术的日益进步和生产经营的日益发展,最优化方法已成为现代管理科学的重要理论基础和不可缺少的方法,被人们广泛地应用到公共管理、经济管理、工程建设、国防等各个领域,发挥着越来越重要的作用。1数字设计的应用具有创造性所谓最优化设计,就是采用最合理的设计原理和设计方法,对各方面的影响因素进行综合分析,然后在计算机上进行半自动或者自动化的设计,最后选出一个在现有情况下最合适的设计方案。它是中新兴起的设计方式和技术手段,是从计算机的广泛应用中发展出来的。经过对最优化设计方案进行生产实践后发现,最优化设计能够在保证产品质量优秀的基础上,对产品的体积、重量等生产因素进行优化调整,从而达到降低生产成本的实用设计方法。同时它还可以让设计者摆脱过往大量繁琐和枯燥重复的计算工作,节省设计者的时间和精力,让其可以更好的投入创造性的设计中去,大大的提高了设计者的设计效率。建筑结构、航空、化工、铁路、冶金、造船、汽车、机床、自动控制系统、电器工程、电力系统以及电机等设计领域都已经广泛的开始实用最优化设计方法,并且在以上领域中取得了较为显著的使用效果。最优化设计里所谓的“最优值”是不同于数学里的极值概念的,极值是一种现实无法达到的理论值,而“最优值”则是综合考虑各种影响因素后得出的一个能够满足现实需求,也可以在现实中实现的现实数值。最优值不是绝对概念,而是相对的概念,它是和所有能实现的数值经过对比后选出的一个最优秀的数值。总的来说,最优化设计工作主要包括以下两个方面:一是在设计时,将问题的物理模型转化成为数学模型。在建立数学模型的时候需要选取合适的设计变量,列出需求的目标函数,给出相应的约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式;二是采用适当的最优化方法,求解数学模型。可归结为在给定的条件(例如约束条件)下求目标函数的极值或最优值问题。2优化设计用于当今的化工设备设计2.1贮罐总费用及需求预算对于一些化工设备的设计,如果涉及到的最优化设计问题比较简单,可以直接采用求导法来进行解决,比如:现需求一个体积为V的圆柱形薄壁化工贮罐,已知贮罐盖子的用料价格为α元/米解:设目标函数的总费用为M,总费用是指贮罐盖子和贮罐罐身的材料费加上总加工费的求和,即:容积要求的约束条件为:所以对该贮罐花费费用的最优化设计就是:现在用求导法来对以上公式进行计算,由(2)式可以得出L的表达式为:将(4)式带入(1)式中得到:令(5)式中D的一阶导数为0,求导后得:将(6)式带入(3)式中可得:所以(6)式和(7)式就是贮罐设计的最优化D,L解,将(6)式和(7)式带入到(1)式中就可以求出生产该贮罐的最优化方案。2.2贮罐最优化设计的原理当设计的约束条件相对复杂,带入到目标函数的设计变量,不适合用约束条件来解除时,就需要用拉格朗日乘子法来进行求解,拉格朗日乘子法的相关步骤是:将加入到目标函数里的每一个约束方程都分别乘以λ(8)式中的L就是拉格朗日算子,而其中的各个λ则被称为拉格朗日乘子。可令N对设计变量x和各个拉格朗日乘子λ的每个导数都为0,然后通过相关公式联合求解后就可以得出N的最优化设计方案。以上文中的贮罐的最优化设计为例,条件改为厚壁,壁厚为T。贮罐对体积的要求是V,采用的材料强度应力为[σ],贮存的液体密度为ρ,要求设计出该贮罐的用料最优化生产方案,给出贮罐的具体尺寸,即D,T,L。解:这次设计要求的目标函数就变成了用料的体积,即:约束条件是:(1)容积要求:V=¼πD(2)强度要求:[σ]=ρLD/2T;所以该贮罐的最优化数学表达式为:这时就可以利用拉格朗日乘子法,引入拉格朗日乘子λ,两个约束条件分别乘以λ,最终得出拉格朗日算子N的公式为:之后将N对D,T,L这三个设计变量和λ1、λ2这两个拉格朗日乘子分别进行求导,并使其等于0,最终得出五个导数公式,并对这五个公式进行联合求解,从而就可以得出最优化设计方案中D,L,T的值,而所求得的D,L,T三个值,就是最优尺寸,是贮罐生产用料的最省方案。2.3图解法求解化工设备的最优化设计对于化工设备设计中出现的一些简单的问题可以通过最优化设计解决,单数一般设计最优化的化工设备时,是难以求出最优化设计问题中数学解的,甚至是不可能求出的。这种时候,可以使用图解法来求解只有两个设计变量的最优解。因为在对化工设备进行最优化设计时,虽然设计变量往往都超过了两个,但是通常都可以转换成只有两个设计变量的问题,如此,图解法就有了用武之地。例如:用图解法求解受内压圆柱形薄壁容器的最优化设计。现需求一圆柱形容器,薄壁,要求其长度为固定值L=2m,容器的体积要求不能小于4m解:容器设计的各项要求为:(1)强度要求,容器内薄壁应力分别为:σ1=PD/2T,σ2=PD/4T,σ3=0强度的约束条件利用第三强度理论来计算得出为:(2)其他要求由于容器要求是薄壁,所以容器的直接D和壁厚T应该满足的关系是:容器要求体积不小于4m而根据生产要求,T不得小于3mm,即:T≥3(12)所以,根据公式(9)(10)(11)(12)四个约束条件,目标函数为容器的重量,则最终得出:所以此容器重量的最优化设计相关数学公式表达为:然后就可以用图解法求出容器要求的最优尺寸,即D=1600mm,T=16.7mm,而该容器重量的最优效果