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1、青岛科技大学研究生学位论文 反应器网络综合超结构优化方法的研究 摘要 反应器网络综合问题是过程综合的关键性子课题，指的是在已知动力学条件和 进料条件下，寻求适宜的反应器类型、尺寸、反应单元之间的相互关系、流程结构 和关键参数等，以使特定的目标函数为最优。其深入研究对反应过程开发和优化设 计具有重要意义。反应器网络综合还影响着过程系统的环境效应，因为环境污染问 题往往与反应过程密切相关。一般情况下，反应器网络模型都是复杂的非线性规划 问题，表现为高度非线性微分代数混合模型，传统的优化方法很难求得其全局最优 解。近年来很多研究者对超结构和目标法两种数学优化方法进行了研究。超结构方 法提出一个初始超
2、结构，然后从中找出一个最优的子系统。该方法的优点在于优化 计算中可以直接添加约束和改变优化目标函数，同时得到最优的目标函数值和反应 器网络。但初始超结构往往过于复杂。本文以简化超结构模型为目的，研究基于反应器网络超结构的优化方法，具体研究内容如下： （）阐述了全混流反应器（ 卜）对平推流 反应器（ 卜）等常用类型反应器的替代性原理，以反应器为基本反应器类型，建立基于的反应器网络超结构。将复杂的含有微分代数方程的非线性规划问题简化为简单的仅含代数方程的反应器网络超结构模型。 （）对基于的反应器网络超结构模型，本文提出了求解该问题的双层优化方法。该算法通过将反应器网络综合非线性规划问题分解为物流流
3、量和反应器体积空间的线性优化和浓度空间的非线性优化问题，降低了所求解问题的规模和难度，同时利用粒子群算法和列队竞争算法相结合的全局优化算法进行浓度空间的搜索，提高了求得全局最优解的概率。实例研究结果表明，优化结果与文献结果相一致，且有的优于文献结果，所以基于的反应器网络模型和双层优化算法是有效的。 （）一般情况下，基于的反应器网络超结构模型规模较大，而传统的反应器网络模型都是含有高度非线性的微分代数模型方程。本文采用离散化微分方程的策略来简化超结构模型，该策略采用有限元正交配置（ ）法将模型中的微分方程进行离散化，得到一系列非线性代数方程 反应器嘲络综合超结构优化方法的研究组，将这些方程组与其
4、它约束条件一起作为反应器网络超结构的数学模型，运用数学软件进行优化计算。实例研究表明，优化结果与文献结果相一致或优于文献结果，离散化方法求解含有微分代数方程模型的反应器网络综合问题是有效的。关键词：反应器网络综合超结构双层优化离散化有限元正交配置 童墅型垫盔堂婴塞生兰壁丝兰 一一 ： ， ？ ， 曲 ， ， ， ， ： 反应器嗍络综合超结构优化方法的研究 （） （） （）， ， （） ， ， ， ， ， （） ?睿? ， （） ， ， 也 ： ， ， 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 关键反应组分 、 反应产物 组分浓度， 全混流反应器 平推流反应器 个数，纲量 个数，纲量 反应速率，。
5、转化率 体积流率， 反应时间， 反应速率常数， 配置点个数，纲量 有限元个数，纲量 状态变量矢量 控制变量矢量， 设计约束矢量 反应器网络综台超结构优化方击的研究 时间轴上有限元节点位 口 置， 口 有限元单元段长度， 瓦。 最大反应时间长度上限， 蹦 第个的体积， 平均停留时间 第个到第个 的流率， 下标 反应器 第个 第个到第个 反应器 第个反应器 出口 初始值 吒 出口 ，码。 配置点下标 上标 变量下限 变量上限 逼近的的个数 青岛科技大学研究生学位论文 前言 反应器网络综合是对反应器网络整体设计与优化，通过优化计算找出使设计目标最优的网络。化工生产中，反应器是整个过程中最有影响的单元
6、装置，反应器的不同类型及其连接方式，反应器内部的结构、混合方式、进料的安排、物料的循环以及对反应热效应的处理是影响反应器性能的关键，而这些都是反应器网络的综合优化问题。所以，研究反应器网络综合为反应器工艺技术提供了理论依据；鉴于我国化工污染问题的严重性，反应器网络综合又是化学工业可持续发展的迫切需要。 相对而言。反应器网络综合的研究还很不充分。五十年代以前很少有人针对反应器网络优化提出系统的方法；在五十年代到六十年代，人们对反应器网络综合的研究仅局限在单一反应器上：六十年代末七十年代初，部分学者开始研究反应器的最优组合，以求改善整个反应系统的性能，但一直没有取得明显的进展；在八十年代之前，人们
7、对反应器网络综合的研究主要集中在有固定结构的反应器的优化上；八十年代之后，有关反应器网络综合的论文才多了起来，并且提出一些策略和方法。 目前在反应器网络综合研究中，在不同开发阶段分别采用了多种过程集成方法，主要包括直观经验方法和数学规划方法（ ）。经验和规则的方法是通过对反应体系反应计量学、动力学等的分析，确定在设计目标（如转化率、产率等）下的最适宜的反应器类型及连接形式。但当问题的规模增加，特别是在强调经济性和环境性的复杂综合目标时，经验方法往往不能有效解决最优反应器系统设计问题，所以研究重点逐渐转向数学优化方法的开发，超结构法就是其中之一。一般，反应器网络综合问题本身非常复杂，用于描述该问
8、题的超结构规模会很大，而且对于复杂的反应系统的描述除了代数方程还需要微分方程。所以本文将从简化反应器网络超结构模型着手，从两个不同的方面对超结构进行优化计算。 一、建立基于的反应器网络超结构，得到仅含代数方程的数学模型，根据作者提出的双层优化算法对该反应器网络超结构进行优化求解，通过实例来验证该方法的有效性。 二、对含微分代数方程模型的反应器网络结构，直接采用离散化策略，运用 反应器网络综合超结构优化方法的研究离散化方法中的法将微分方程进行离散化，得到一系列代数方程，并把这些代数方程组与其它约束条件一起作为数学模型，运用数学软件进行优化计算，最后得到最优的反应器网络和目标函数值。 青岛科技大学
9、研究生学位论文 第一章 文献综述过程综合 在哲学中，为了构成较为完整的观点或体系，将各部分或各种因素结合在一起，叫做综合。过程系统综合是过程系统工程学科的核心内容，指的是：按照规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。在设计新建工厂时，系统综合可用于从众多的可行方案中选择最优流程。与过程系统综合相对应的概念是过程系统分析，指的是：对系统结构及其各个子系统均已给定的现有系统进行分析，即建立各子系统的数学模型，按照给定的系统结构进行整个系统的数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄弱环节并给以改进。用于过程系统分析的应用软件，称为化工模
10、拟系统，它也是过程系统综合的重要辅助手段。系统综合以系统分析为基础的同时在综合过程中又可对系统分析提出新的要求。 过程系统综合是一个极为复杂的多目标最优组合问题，长期以来主要靠工程师的经验。年代后期，美国学者首先提出了有关系统综合的理论和方法，近几十年来有关的研究工作发展很快，研究的主要课题如下： 反应路径的综合 换热器网络的综合 分离序列的综合 反应器网络的综合 全流程的综合 公用工程系统的综合 过程系统能量集成 在搜索最优反应路径的策略方面，由于问题的复杂性，采用经验规则较多，理论研究尚不成熟。这一研究领域是至关重要的，因为反应路径对最终工艺过程的经济技术性能带来深刻影响，一个低效率反应路
11、径的缺陷是无法用流程结构优化来弥补的。美国麻省理工学院与英国帝国化学公司合作开发系统地生成可行化学反应路径的方法，以及以生物化学反应路径的知识库为基础的专家系统。我国目前尚未开展这方面的研究工作。换热器网络综合在学术上已取得重大突破，部分研究成果在 反应器刚络综合超结构优化方法的研究 工业上获得应用，并产生了巨大的经济效益。 过程综合（ ）是化工过程系统工程学科的核心内容，是过程设计 中的创造性步骤。过程综合概念的示意表达见图，指的是：系统的输出是指定 的（希望的），系统的输入是给定的或是可允许选择的一个范围，要求设计者确定该 未知的过程系统，并达到规定目标函数的最优：当组成该系统的单元特性以
12、及它们 的规格和相互间的联接结构确定之后，则该系统就完全规定了。与过程综合相对照， 过程分析（ ）是指：给定系统的输入和系统特性，计算该系统的输出。系统的输入或输出包括物料流和信息流，见图。由上可见，一个最优的过程系统的综合包括两种决策：是由相互作用的单元之间的拓扑和特性而规定的各种结构替换方案的选择；二对组成该系统的各操作单元的替换方案的设计。从教学上讲，第一种决策是一个整数规划问题，第二种决策是一个非线性规划问题，即过程综合是一个高维混合整数规划问题，而且是一个多目标优化问题，如系统的经济性指标、操作性、可控性、安全性和可靠性等。 给定或可 奠 待综合的过程 选择的输 ？ ： 啊 一 图卜
13、过程系统综合的示意表达 指定的 待求的 输入 给定的过程 输出 图过程系统分析的示意表达 过程系统综合存在两种基本情况，一是以一初始的系统结构为出发点，不断改进另一是没有初始的系统结构，要确定系统的结构和工艺参数。通常，可归纳成种基本的综合方法。 （）分解法（ ）：其实质是把整个大系统分解成若干容易处理的子系统来解决，对每个子系统，在现有技术水平上可以进行最优化设计，然 青岛科技大学研究生学位论文后组合（协调）起来，使整个系统最优。这一方法需要解决如何确定系统的断裂部位和整体协调的问题。 （）直观推断法（ ）；有经验的过程设计师可凭经验把一些显然不合理的组合方案排除出去，以克服设计问题维数过高
14、的困难（即缩小搜索区间）。根据人们广泛的工程实践经验和对过程深刻理解的基础上，总结出的经验规则称作直观推断规则。采用这些规则可以比较简单地综合出一个或几个合理的流程方案，但不能保证方案的最优性。 （）调优法（ ），这一方法首先采用其它方法如直观推断法，构造一个初始的过程系统，然后应用一些调优策略逐步改进初始方案。调优法的基本思想是寻找一些子任务，这些子任务在修正后可以改善系统的性能。该方法尤其适用于现有过程系统的改进，一般情况都可获得明显效果。 （）结构参数法（ ）；基本思想是把所有可能选用的系统嵌入组成一个大的完整流程（称超级结构），然后采用非线性规划法对该系统进行整体优化计算，包括设备选择
15、、配置及操作条件等。这一方法常与直观性推断法相结合以提高计算效率。 上述过程系统综合的基本方法都在不断地发展和改进，往往几种方法结合起来会更有效地用于过程综合的不同阶段。反应器网络综合反应器网络综合的研究进展 反应器网络综合是过程综合的关键性子课题，指的是：已知进料条件和动力学条件，寻求适宜的反应器类型、流程结构和关键设计参数，以使特定的目标函数最优。为了从生产的源头控制污染和预防污染，实现环境友好的全流程综合，必须尽快解决反应器网络综合这一瓶颈问题。 由于该课题的复杂性，国外有关报道相对很少，国内则刚刚起步，还处于探索阶段。在五十年代到六十年代，人们对反应器网络综合的研究仅局限在单一反应器上
16、。】第一个系统研究了化学反应器的优化结构，他提出了以全混釜和管式反应器的最优产率和选择性为目标的层次化规则。和】利用优化原理中的相邻变量来研究全部混合、部分混合的效果。研究了在只有一个放热可逆反应发生的反应器中的进料的最优分布，目的是在给定进口转化率、物料流率、反应器体积和催化剂量的情况下来选择反应器的进出口和分配物流。 反应器网络综合超结构优化方法的研究 六十年代末七十年代初，部分学者开始研究反应器的最优组合，以求改善整个反应系统的性能。在己知反应动力学并且反应是绝热可逆反应的条件下，对反应器为预热进料，中间用旁路冷物流直接冷却的一级管式反应器的催化剂用量最少为目标函数，进行了反应器的优化。
17、【】利用动态规划来决定多级串联釜式反应器最佳操作条件和平推流反应器的最优温度序列以及有固定结构的多段反应器系统的最优旁路和冷却流数目。和，按不同的反应机理把反应系统分成不同的类别。根据机理，他们利用层次结构规则或利用直接搜索序列来寻求串联的反应器网络的最大产率。并提出了反应器一分离器再循环系统。 到了八十年代中期，计算机技术的进步和计算方法的发展，为反应器网络综台问题提供了有利的工具，有关反应器网络综合的论文也多了起来。 】等研究了用几何方法在等温反应系统中来决定可得区，因为这个可得区包括了所有的反应器组合类型，一旦知道这个区域，优化问题就简单多了。 和旧】提出了反应器网络的轴向扩散模型（），
18、在这个模型中反应器网络包括一个有不同扩散系数的，并且最优问题可公式化为一个非线性问题的最优控制问题。和探讨了等温反应器最优结构，并注意到最优进料策略对和结构有空间二元性。既然最优进料策略对间歇反应器有二元性，故他们推测可用和的组合来代替间歇反应器。和研究了 反应并推断应是选择性而不是产率更能描述反应器网络性能，因为它能使费用最低。 和 把更新的模型用于而。他们假设一个恒定浓度的系统和一个逐段的恒定扩散系数。以这个模型为基础，合成问题就可以公式化为最优控制的非线性规划问题。解此问题包括连续解一个序列非线性两点边值常微分方程和二次线性规划问题。如果反应混合的浓度是恒定的，反应器类型由循环比来决定。
19、它从（）到（），由这个综合问题的数学公式可以导出一最优控制问题，并且通过解一个常微分方程组（）和一个二次规划问题便可解此问题。从另一方面来看，和又导出目标策略技术，用它来求目标函数的上限值。用一个以等温均相反应为基础的同时不包括所有的混合状态的优化的和模型，他们把此综合问题公式化为有决定变量的宏观和微观的混合系数。虽然关于这个最优混合类型可能得到，但是这个方法不能明确的提供最优反应器网络的结构。 在八十年代之前，人们对反应器网络综合的研究主要集中在有固定结构的反应器的优化上：八十年代之后，有关反应器网络综合的论文才多了起来，并且提出一些策略和方法。 人工智能方法在反应器网络综合中的应用刚刚起步。和一，】 青岛科技大学研究生学位论文在反应器网络综合的经验方法基础上开发出.