一種板式精餾過(guò)程的混合整型非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種化工過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體地說(shuō)，設(shè)計(jì)一種板式精餾過(guò)程的 混合整型非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 精餾過(guò)程的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)精餾過(guò)程最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益的主要手段，對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì) 量、降低能耗有著重要的意義。對(duì)精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)包含塔板數(shù)目、進(jìn)料位置和操作條件 的選取，最小化總投資成本和操作成本。該優(yōu)化過(guò)程包含與操作條件、能量等相關(guān)的連續(xù)變 量以及塔板數(shù)、進(jìn)料位置等離散變量。所以精餾過(guò)程的優(yōu)化問題為非線性混合整型規(guī)劃問 題。通常，混合整型非線性規(guī)劃（MINLP)算法可以求解這類問題。但混合整型非線性規(guī)劃 (MINLP)算法求解精餾模型所需的時(shí)間依賴于模型的復(fù)雜程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供板式精餾過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明分別通過(guò)建立板式精 餾過(guò)程的廣義析取規(guī)劃（GDP)模型、預(yù)處理過(guò)程、模型進(jìn)行求解得到最佳進(jìn)料位置和最優(yōu) 塔板數(shù)，給出了一種有效的苯-甲苯精餾過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解決了精餾過(guò)程同時(shí)優(yōu)化 離散變量和連續(xù)變量的難題。同時(shí)本發(fā)明給出的預(yù)處理過(guò)程，為精餾模型的求解提供了恰 當(dāng)?shù)某跏贾岛瓦吔缰担軌虮ＷC精餾模型求解的全局收斂性和全局最優(yōu)解。
[0004] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0005] -種苯-甲苯精餾過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0006] (1)建立精餾過(guò)程的⑶P模型：
[0007] 精餾塔的⑶P模型結(jié)構(gòu)如圖1所示：熱量的交換發(fā)生在精餾塔兩端的塔板上，這 兩塊塔板和進(jìn)料板都被稱為"固定塔板"。其余的塔板則被稱為"條件塔板"，其存在條件由 相應(yīng)布爾變量定義。塔板超結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)精餾過(guò)程體系的物系特征分別建立固定 塔板和條件塔板由物料平衡方程、氣液平衡方程、摩爾分?jǐn)?shù)歸一化方程和能量平衡方程等 數(shù)學(xué)表達(dá)式組成的機(jī)理模型。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為最小化投資費(fèi)用和操作費(fèi)用之和的年總成 本。
[0008] (2)建立預(yù)處理過(guò)程：
[0009] 在預(yù)處理階段，初始值和邊界值可以通過(guò)系統(tǒng)地解決優(yōu)化問題來(lái)獲取。主要通過(guò) 獲取一個(gè)合理的設(shè)計(jì)作為經(jīng)濟(jì)優(yōu)化問題的初始估計(jì)。通過(guò)理論上可逆模型的計(jì)算可以得到 嚴(yán)格精餾模型的初始值和邊界值，能夠保證精餾模型求解的全局收斂性和全局最優(yōu)解。給 定進(jìn)料混合物的性質(zhì)和組成、氣化率和操作壓力，用閃蒸模型求解精餾過(guò)程的氣液平衡方 程。該閃蒸模型中，氣相壓力由Wagner's方程求解得到。氣相和液相焓值由溫度的多項(xiàng)式 求解得到。預(yù)處理過(guò)程的原理如圖3所示，該過(guò)程包含了兩個(gè)基本的NLP子問題。
[0010] 第一個(gè)NLP問題：根據(jù)可逆精餾段和提餾段的物料平衡方程、能量平衡方程和歸 一化方程、進(jìn)料段的物料平衡方程、總的氣液平衡方程建立可逆精餾過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。
[0011] 第二個(gè)NLP問題：根據(jù)精餾過(guò)程夾點(diǎn)模型的塔頂、塔底、重組分完全采出的部分精 餾段和輕組分完全采出的部分提餾段的物料平衡方程、能量平衡方程和歸一化方程，建立 精餾過(guò)程夾點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型。
[0012] (3)精餾過(guò)程⑶P模型求解過(guò)程：
[0013] ⑶P模型運(yùn)用了LB0A算法，該算法通過(guò)簡(jiǎn)化的NLP子問題和MILP主問題的迭代進(jìn) 行求解。GDP模型的求解步驟（圖5)為：1)預(yù)處理過(guò)程的求解；2)求解GDP相關(guān)的預(yù)處理 項(xiàng)：求解所有塔板存在的NLP子問題和部分塔板存在的NLP子問題；3)求解運(yùn)用了GDP算 法的系統(tǒng)綜合問題。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 本發(fā)明針對(duì)板式精餾過(guò)程，建立該過(guò)程的⑶P模型。并在模型求解前進(jìn)行預(yù)處理， 該過(guò)程通過(guò)求解一系列的NLP問題得到了GDP模型的初始值和邊界值，降低了求解的難度。 GDP模型在MINLP模型的基礎(chǔ)上引入了邏輯變量和析取表達(dá)式，使得建模過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，同 時(shí)也使得NLP子問題的求解難度降低?？梢詾楸?甲苯精餾過(guò)程的優(yōu)化控制提供結(jié)構(gòu)參數(shù) 和操作參數(shù)的初始值，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程具有指導(dǎo)意義。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1存在固定塔板和條件塔板的GDP精餾塔結(jié)構(gòu)示意圖
[0017] 圖2單個(gè)塔板GDP超結(jié)構(gòu)：(a)固定塔板（b)條件塔板
[0018] 圖3預(yù)處理過(guò)程原理圖
[0019] 圖4可逆產(chǎn)物計(jì)算原理圖
[0020] 圖5鞍夾點(diǎn)平衡控制容積的計(jì)算原理圖
[0021] 圖6⑶P求解步驟示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0022] 苯（C6H6)和甲苯（C7H8)都是芳烴類碳?xì)浠衔铮际侵匾挠袡C(jī)化工原料，在化學(xué) 工業(yè)中占有極其重要的地位。苯的沸點(diǎn)為80. 2°C，甲苯的沸點(diǎn)為110. 6°C。在常溫下，苯是 一種無(wú)色、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)；甲苯則呈無(wú)色液體狀態(tài)。
[0023] 苯、甲苯等芳烴的主要生產(chǎn)原料為石油催化重整油和石油裂解加氫汽油。分離芳 烴的主要手段有液液萃取和萃取精餾。萃取精餾提純苯、甲苯的工藝流程中包含苯-甲苯 精餾塔，從該塔的塔頂和塔底分別得到純度較高的苯和甲苯。
[0024] 步驟1 :苯-甲苯精餾過(guò)程⑶P模型的建立：
[0025] 苯、甲苯、鄰二甲苯的三元混合物來(lái)測(cè)試上述所提到的方法。進(jìn)料中苯、甲苯、鄰二 甲苯的比值為：〇. 33、0. 33、0. 34,精餾塔的壓力為1.Olbar，進(jìn)料流量為10mol/s產(chǎn)物為飽 和液體，塔板數(shù)下限11_為5,塔板數(shù)上限n_為60,產(chǎn)品的純度要求為98 %。苯-甲苯精 餾塔的GDP模型結(jié)構(gòu)如圖1所示：熱量的交換發(fā)生在精餾塔兩端的塔板上，這兩塊塔板和進(jìn) 料板都被稱為"固定塔板"。其余的塔板則被稱為"條件塔板"，條件塔板的存在與布爾變量 有關(guān)。
[0026] C表示進(jìn)料成分i的集合；N表示塔板n的集合，n= 1，2, . . .，Nmax;top表示頂部 塔板，top= 1 ;bot表示底部塔板，bot=Nmax;prod=topUbot。目標(biāo)函數(shù)為最小化投資 費(fèi)用和操作費(fèi)用之和的年總成本1八(：。投資費(fèi)用通過(guò)函數(shù)￡(階'，0。。1，4，^給定。這里目 標(biāo)函數(shù)表示為：
[0027]minTAC=f(NT,Dcol,Ar,Ac)+TWQC+TSQH (1)
[0028] 將固定塔板定義為pt={n:n= 1，n=Nmax}，中間的塔板定義為it={n: 2 彡n彡（N-_l)}〇
[0029] 對(duì)精餾塔的直徑、冷凝器傳熱面積、再沸器傳熱面積和塔板數(shù)的約束方程如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種板式精餾過(guò)程的混合整型非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 建立板式精餾過(guò)程的廣義析取規(guī)劃（GDP)模型： 首先根據(jù)給定的板式精餾塔的進(jìn)料成分和流率，以及最終分離得到的產(chǎn)物的純度要 求，建立板式精餾塔的GDP模型：熱量的交換發(fā)生在精餾塔兩端的塔板上，這兩塊塔板和進(jìn) 料板都被稱為"固定塔板"，其余的塔板則被稱為"條件塔板"，條件塔板的存在與布爾變量 有關(guān)。根據(jù)精餾過(guò)程體系的物系特征，分別建立固定塔板和條件塔板由物料平衡方程、氣液 平衡方程、摩爾分?jǐn)?shù)歸一化方程和能量平衡方程等數(shù)學(xué)表達(dá)式組成的機(jī)理模型。優(yōu)化的目 標(biāo)函數(shù)為最小化投資費(fèi)用和操作費(fèi)用之和的年總成本。 (2) 建立預(yù)處理過(guò)程： 預(yù)處理過(guò)程通過(guò)理論上可逆模型的計(jì)算可以得到嚴(yán)格精餾模型的初始值和邊界值， 能夠保證精餾模型求解的全局收斂性和全局最優(yōu)解。給定進(jìn)料混合物的性質(zhì)和組成、氣 化率和操作壓力，用閃蒸模型求解精餾過(guò)程的氣液平衡方程。該閃蒸模型中，氣相壓力由 Wager's方程求解得到。氣相和液相焓值由溫度的多項(xiàng)式求解得到。預(yù)處理過(guò)程包含了兩 個(gè)基本的NLP子問題。 第一個(gè)NLP問題：根據(jù)可逆精餾段和提餾段物料平衡方程、能量平衡方程和歸一化方 程、進(jìn)料段的物料平衡方程、總的氣液平衡方程建立可逆精餾過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 第二個(gè)NLP問題：根據(jù)精餾過(guò)程夾點(diǎn)模型的塔頂、塔底、重組分完全采出的部分精餾段 和輕組分完全采出的部分提餾段的物料平衡方程、能量平衡方程和歸一化方程，建立精餾 過(guò)程夾點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型。 (3) 精餾過(guò)程GDP模型求解過(guò)程： ⑶P模型的求解運(yùn)用LBOA算法，該算法通過(guò)簡(jiǎn)化的NLP子問題和MILP主問題的迭代進(jìn) 行求解。GDP模型的求解步驟為：1)預(yù)處理過(guò)程的求解；2)求解GDP相關(guān)的預(yù)處理項(xiàng)：求解 所有塔板存在的NLP子問題和部分塔板存在的NLP子問題；3)求解運(yùn)用了 GDP算法的系統(tǒng) 綜合問題。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種板式精餾過(guò)程的混合整型非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征 在于將廣義析取規(guī)劃（GDP)算法運(yùn)用到了精餾塔的建模和優(yōu)化求解過(guò)程，是以塔板和進(jìn)料 板的是否存在為邏輯變量，以年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，利用GAMS進(jìn)行優(yōu)化求解。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種板式精餾過(guò)程的混合整型非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征 在于采用了一般預(yù)處理過(guò)程，為GDP模型的求解提供了恰當(dāng)?shù)某跏贾岛瓦吔缰担档土饲?解的難度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種板式精餾過(guò)程的混合整型非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征 在于所述的苯、甲苯、鄰二甲苯的三元混合物精餾分離過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種板式精餾過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：(1)建立苯-甲苯精餾過(guò)程的廣義析取規(guī)劃(GDP)模型；(2)建立苯-甲苯求解預(yù)處理過(guò)程；(3)求解苯-甲苯精餾過(guò)程的廣義析取規(guī)劃(GDP)模型。本發(fā)明給出了苯-甲苯精餾過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在模型求解前進(jìn)行了預(yù)處理，該過(guò)程通過(guò)求解一系列的非線性問題得到了廣義析取規(guī)劃(GDP)模型的初始值和邊界值，降低了求解的難度。廣義析取規(guī)劃(GDP)引入了邏輯變量和析取表達(dá)式，使得建模過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，同時(shí)也使得非線性子問題的求解難度降低。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104850719
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510297410
【發(fā)明人】薄翠梅, 黃慶慶, 李俊, 陸兵, 李芳芳
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年6月1日