本文關(guān)鍵詞： 混合整數(shù)非線性規(guī)劃 粒子群算法 共沸精餾 優(yōu)化設(shè)計(jì) 流體力學(xué)　出處：《青島科技大學(xué)》2015年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：精餾塔是化工與石化行業(yè)中最重要的分離單元設(shè)備之一。在化工企業(yè)中,約90%的分離與提純操作為精餾操作,約占分離總能耗的90%。因此,對(duì)精餾塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),減少設(shè)備投資與能耗,具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。由于精餾塔優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量既包括了塔板數(shù)、進(jìn)料位置等整數(shù)變量,又包括了回流比等實(shí)數(shù)變量,因此精餾塔優(yōu)化是一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃( Mixed integer nonlinear programming, MINLP)問(wèn)題。本文研究了MINLP問(wèn)題求解的各算法的優(yōu)、缺點(diǎn)之后,最終選擇粒子群優(yōu)化(Particle swarm optimization, PSO)算法進(jìn)行精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為提高PSO算法求解MINLP的效率,本文研究和分析了現(xiàn)有的PSO算法整數(shù)編碼和約束處理技術(shù)之后,提出了新的整數(shù)變量處理策略和流體力學(xué)約束條件,并以Deb方法處理約束,提出了混合整數(shù)空間粒子群優(yōu)化(Mixed integer space particle swarm optimization, MIS-PSO)算法。采用C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了精餾塔MINLP界面平臺(tái),采用C++編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了MIS-PSO算法的動(dòng)態(tài)鏈接文件,在MINLP平臺(tái)中調(diào)用MIS-PSO算法進(jìn)行粒子位置的更新。通過(guò)ActiveX控件調(diào)用Aspen Plus,將Aspen Plus中建立的精餾模型作為適應(yīng)度函數(shù),計(jì)算粒子所對(duì)應(yīng)的塔結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)而獲得粒子的適應(yīng)度函數(shù)值,充分利用了Aspen的強(qiáng)大計(jì)算能力和成熟的精餾計(jì)算模塊,并使得尋優(yōu)過(guò)程更易收斂。之后將MIS-PSO算法用于一個(gè)共沸精餾塔的設(shè)計(jì),MIS-PS O算法計(jì)算得出的最優(yōu)年度總費(fèi)用(Total annual cost, TAC)為7.08×105$/year,該結(jié)果不僅滿(mǎn)足所有約束,而且比Aspen Consep的計(jì)算結(jié)果降低了19.64%,并且優(yōu)于文獻(xiàn)結(jié)果。由Aspen Consep所設(shè)計(jì)的塔不僅TAC最優(yōu)值不及MIS-PSO法得出的最優(yōu)值,而且空塔氣速低于0.5m/s的下限,說(shuō)明MIS-PSO算法可以更好地應(yīng)用于精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為考察多塔優(yōu)化的有效性,將MIS-PSO法用于一個(gè)異丙醇脫水過(guò)程的共沸精餾雙塔序列。計(jì)算結(jié)果表明,TAC 1.218×106$/year比文獻(xiàn)值減少16.96%,符合流體力學(xué)約束條件。文獻(xiàn)值經(jīng)過(guò)計(jì)算后TAC高于MIS-PSO法,并且C-1塔的空塔氣速0.851 m/s大于0.8m/s的上限,不滿(mǎn)足流體力學(xué)約束。該計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明MIS-PSO法計(jì)算多塔得出的結(jié)果也優(yōu)于文獻(xiàn)結(jié)果。上述工作表明,MIS-PSO法直接在混合整數(shù)空間進(jìn)行尋優(yōu),為PSO算法求解混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題提供了新的思路。MIS-PSO法可以用于精餾序列的最優(yōu)設(shè)計(jì),并且所得的結(jié)果優(yōu)于以往的文獻(xiàn)值。未來(lái)可將本文成果應(yīng)用于更為復(fù)雜的精餾塔設(shè)計(jì)優(yōu)化,以滿(mǎn)足大規(guī)模化工流程優(yōu)化的需要。
[Abstract]:Distillation column is one of the most important separation units in chemical and petrochemical industries. In chemical enterprises, about 90% of separation and purification operations are distillation operations, accounting for about 90 percent of the total separation energy consumption. The optimization design of distillation column to reduce equipment investment and energy consumption has great economic benefits. Because the variables of optimization design of distillation column include integral variables such as tray number feed position and so on. Reflux ratio and other real variables are also included, so the distillation column optimization is a Mixed integer nonlinear programming. This paper studies the advantages and disadvantages of the algorithms for solving the MINLP problem. Particle Swarm Optimization (PSO) is used to optimize particle swarm optimization. In order to improve the efficiency of PSO algorithm to solve MINLP, this paper studies and analyzes the existing PSO algorithm integer coding and constraint processing technology. A new integer variable processing strategy and fluid mechanics constraint conditions are proposed, and Deb method is used to deal with the constraints. Mixed integer space particle swarm optimization is proposed for mixed integer space particle swarm optimization. MIS-PSO algorithm. The MINLP interface platform of distillation column is developed by C # programming language, and the dynamic link file of MIS-PSO algorithm is developed by C programming language. Call the MIS-PSO algorithm in the MINLP platform to update the position of the particle. Call Aspen Plus through the ActiveX control. The distillation model established in Aspen Plus is taken as fitness function, and the corresponding tower structure and operation parameters of particles are calculated to obtain the fitness function of particles. The powerful computing power of Aspen and the mature distillation calculation module are fully utilized, and the optimization process is more easily converged. Then, the MIS-PSO algorithm is used in the design of an azeotropic distillation column. Total annual cost (TAC) calculated by MIS-PS O algorithm is 7.08 脳 10 ~ 5 / year. The results not only satisfy all the constraints, but also decrease by 19.64% compared with the results of Aspen Consep. The column designed by Aspen Consep is not only less than the optimal value obtained by MIS-PSO method, but also lower than the lower limit of 0.5 m / s. It shows that MIS-PSO algorithm can be applied to the optimization design of distillation column better. The MIS-PSO method was applied to an azeotropic distillation two-column sequence in the dehydration process of isopropanol. The calculated results show that the value of TAC 1.218 脳 106 / year is 16.96% less than that in the literature. The TAC value is higher than that of MIS-PSO method, and the upper limit of the empty tower gas velocity of C-1 tower is 0.851 m / s > 0.8 m / s. The results show that the MIS-PSO method is also superior to the results of the literature. The MIS-PSO method is directly applied to the optimization of mixed integer space, which provides a new idea for the PSO algorithm to solve the mixed integer programming problem. MIS-PSO method can be used in the optimal design of distillation sequences. The results obtained are better than the previous ones. In the future, the results of this paper can be applied to the design optimization of more complex distillation column to meet the needs of large-scale chemical process optimization.
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ053.5;TP18

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