第六章化工優(yōu)化計算內(nèi)容1.技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)2.幾個化工單元操作優(yōu)化實例3.過程系統(tǒng)的優(yōu)化Companyname優(yōu)化問題的由來

優(yōu)化方法和理論來源于軍事，管理和經(jīng)濟(jì)。我國古代軍事天才孫武所著《孫子兵法》把軍事運(yùn)籌學(xué)的思想，理論和方法闡述得淋漓盡致，其中包含大量的優(yōu)化思想和方法。兩次世界大戰(zhàn)，尤其是二戰(zhàn)中提出的很多均是優(yōu)化問題，諸如搜索潛艇問題；護(hù)航問題；布雷問題；轟炸問題以及運(yùn)輸問題等等。二戰(zhàn)后，優(yōu)化方法的應(yīng)用由軍事問題轉(zhuǎn)入民用問題，提出了現(xiàn)代管理的理論和方法，如工程設(shè)計，計劃管理等等?，F(xiàn)階段，生產(chǎn)規(guī)模日益龐大，生產(chǎn)技術(shù)日益復(fù)雜，商業(yè)經(jīng)營日趨國際化，環(huán)境污染和生態(tài)問題日益嚴(yán)重。工程技術(shù)和管理人員人員面臨十分復(fù)雜的問題，迫切需要一種統(tǒng)籌兼顧，行之有效的科學(xué)方法來處理復(fù)雜的問題。前言Companyname前言優(yōu)化的意義和可行性在工業(yè)決策中，優(yōu)化技術(shù)是主要的定量分析工具。針對復(fù)雜的化工設(shè)計和工廠操作問題，通過優(yōu)化方法做出的決策比直接決策更為可靠、有效。在化工廠以及許多其他工業(yè)工程的設(shè)計、操作和分析中所涉及的大部分問題都可使用優(yōu)化方法進(jìn)行求解。如初始設(shè)計、優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備以強(qiáng)化其操作性能，達(dá)到產(chǎn)量最大、成本最小、能耗最低等目的。計算機(jī)及其相關(guān)軟件的發(fā)展使得優(yōu)化問題的計算不僅可行而且高效（二戰(zhàn)后興起，近幾十年來普及）。Companyname前言每個優(yōu)化問題都包含三個基本方面：至少有一個要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)（利潤函數(shù)、費(fèi)用函數(shù)等）；等式約束；不等式約束。所謂化工優(yōu)化設(shè)計就是采用優(yōu)化方法使化工過程滿足最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。這一最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)通常是指設(shè)備或裝置的年費(fèi)用為最小。在化工設(shè)計中確定某些參數(shù)時，需要考慮對設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的影響。Companyname前言化工裝置的年費(fèi)用=設(shè)備費(fèi)用+操作費(fèi)用。設(shè)備費(fèi)用：一般指設(shè)備的購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用、維修費(fèi)用按折舊年限分?jǐn)偟矫磕甑某杀尽２僮髻M(fèi)用：指每小時生產(chǎn)所需的水、電、蒸汽等費(fèi)用乘以年開工小時數(shù)為每年的成本。由于優(yōu)化設(shè)計涉及技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，因此可靠的定量計算需了解國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策和市場的價格走勢。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行化工的優(yōu)化設(shè)計計算，必須要有技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)或相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。由于物資的價格特別是鋼材和能源的價格隨市場變化很大，所以技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)不像物性數(shù)據(jù)是固定不變的，需要根據(jù)市場的發(fā)展不斷修正。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（1）按設(shè)備有固定的單價CS—設(shè)備的年費(fèi)用，元；SL—設(shè)備的數(shù)量，m2（或m3或kg）；DJ—設(shè)備的單價，元/m2（或元/m3或元/kg）；ZJ—設(shè)備折舊費(fèi)，1/年；f—相關(guān)的校正系數(shù)。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計算φ—設(shè)備尺寸的函數(shù)。根據(jù)不同的設(shè)備有不同的函數(shù)形式。如管殼式換熱器的計算公式為：AL—換熱器的傳熱面積，m2；a、b—設(shè)備的回歸系數(shù)。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計算換熱器形式回歸系數(shù)壓力校正系數(shù)f1材質(zhì)校正系數(shù)f2ab0.6MPa1.0MPa1.6MPa2.5MPa管程1Cr18Ni9Ti管程殼程均1Cr18Ni9Ti固定管板3340.730.890.9211.126.59.5浮頭式2760.811.056.59.5表6-1管殼式換熱器回歸系數(shù)和校正系數(shù)表Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備費(fèi)用（2）按系列設(shè)備公式計算碳鋼塔板的精餾塔計算公式為：f1—美元對人民幣的匯率；

f2—塔板因子系數(shù)，浮閥塔板取1，篩板塔板取0.85，泡罩塔板取1.59；

f3—板數(shù)因子，N>20時取1，N<20時由f3=2.25/1.0414N計算；N—實際塔板數(shù)；D—塔徑，m。Companyname6.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)操作費(fèi)用CC—操作的年費(fèi)用，元；

DS

—水的單價，元/m3；

qW

—水的耗量，m3/h；DZ

—蒸汽的單價，元/kg；WZ

—蒸汽的耗量，kg/h；DD

—電的單價，元/(kW·h)；E—設(shè)備的動力消耗，kW；τ—年開工小時，h。Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例求解優(yōu)化問題的方法往往根據(jù)條件的不同而各有差異。如目標(biāo)函數(shù)只涉及一個變量，稱為單變量優(yōu)化問題，否則為多變量問題。這里介紹的化工單元操作的優(yōu)化，都是單變量的優(yōu)化問題。Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例最佳管徑的設(shè)計

管路的優(yōu)化設(shè)計是指設(shè)計出使整個管路的設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)的年成本最小的管徑，對高壓管路和遠(yuǎn)距離管線的設(shè)計尤其重要。管路特性方程泵的電機(jī)輸入功率Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例最佳管徑的設(shè)計管路質(zhì)量：m

—管材質(zhì)量，kg；δ

—管壁厚度，m；ρm

—管材的密度，kg/m3；F—單位質(zhì)量直管的管件折價數(shù)，一般為1.4~6.75。Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例最佳管徑的設(shè)計費(fèi)用方程：CZ—管路系統(tǒng)年總費(fèi)用；DJ

—管路單位質(zhì)量的價格（包括安裝和維修等費(fèi)用）。因此：管路系統(tǒng)的年總費(fèi)用CZ是管徑d的函數(shù)。Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例最佳管徑的設(shè)計（1）極值法：目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)等于0?？梢酝ㄟ^迭代上述方程求解管徑d，即為最佳管徑，但該管徑需根據(jù)管材規(guī)格進(jìn)行圓整。（2）窮舉法：把不同的管徑（按管材的規(guī)格）逐一代入費(fèi)用方程，可以得到CZ?d的列表函數(shù)，即可方便地得到最佳的管徑。Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例換熱器冷卻水出口溫度的優(yōu)化

用冷卻水冷卻某工藝熱流體，當(dāng)換熱器的傳熱量為已知，水的進(jìn)口溫度一定時，根據(jù)傳熱計算可知：冷卻水出口溫度的高低將影響傳熱溫度差及換熱面積，即影響設(shè)備費(fèi)用；同時冷卻水的出口溫度又影響冷卻水的用量即操作費(fèi)用。所謂最佳冷卻水出口溫度就是在此溫度下，換熱器的設(shè)備和操作的年費(fèi)用最小。Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例換熱器冷卻水出口溫度的優(yōu)化由熱量衡算和傳熱速率：Companyname6.2幾個化工單元操作優(yōu)化實例換熱器冷卻水出口溫度的優(yōu)化費(fèi)用方程：CZ—換熱器年總費(fèi)用；DJ

—換熱器單位面積的費(fèi)用（包括安裝和維修等費(fèi)用）。DS

—每千克冷卻水費(fèi)用（包括動力費(fèi)用）。ZJ

—換熱器的折舊率，1/年；τ

—換熱器年工作小時，h。因此：管路系統(tǒng)的年總費(fèi)用CZ是管徑t2的函數(shù)。Companyname6.2幾個化罵工單元得操作優(yōu)魄化實例換熱器冷摧卻水出口挺溫度的優(yōu)嫌化（1）極值主法：目死標(biāo)函數(shù)迫的一階昏導(dǎo)數(shù)等壇于0?？梢酝ㄟ^蕉迭代上述眼方程求解t2，即為播最佳冷擴(kuò)卻水出悄口溫度詢。（2）窮舉體法：把肢不同的償出口溫燦度t2代入費(fèi)素用方程坊，可以雙得到CZ?t2的列表函霉數(shù)，即可伯方便地得鄰到最佳冷旦卻水出口做溫度。上僵述計算對K作為常數(shù)直考慮，如久把K也作為t2的函數(shù)住，則計塞算難度核將增加啟。Com挪pan妄yn氧ame6.2幾個化工群單元操作似優(yōu)化實例精餾塔最捷佳回流比濤的確定回流比是罪精餾塔設(shè)徑計和操作孝的重要參狼數(shù)，回流羅比的大小葵直接影響華精餾塔的鏟能耗及塔胞板的直徑著和數(shù)量。扮以常規(guī)精派餾塔（泡三點加料）特為例。Com菌pan剝yn騰ame6.2幾個化工急單元操作男優(yōu)化實例精餾塔耕最佳回具流比的著確定塔頂全箏凝器的炊冷凝熱奏負(fù)荷為刊：塔底再沸犁器的汽化殘熱負(fù)荷為輛：γC,γR—塔頂蒸盒氣、塔歐底蒸氣槳的摩爾衡汽化熱已，kJ/k從mol；WZ—飽和水蒸骨氣用量，kg/h；γ—加熱蒸氣闊的汽化熱萌，kJ/k仍g。Com塔pan鄉(xiāng)豐yn窩ame6.2幾個化坡工單元伙操作優(yōu)騙化實例精餾塔最摘佳回流比破的確定Gill末ilan潤d關(guān)聯(lián)方程落取：Comp前any附name6.2幾個化惹工單元回操作優(yōu)闖化實例精餾塔最劉佳回流比木的確定塔板直讓徑應(yīng)為型氣液負(fù)擊荷的復(fù)腳雜函數(shù)帽，現(xiàn)采戀用一種貧簡單的你形式代入Comp馬any意name6.2幾個化工懇單元操作銅優(yōu)化實例精餾塔失最佳回估流比的吹確定費(fèi)用方程波：DZ—蒸汽的裕單價，棉元/kg；DS—水的單司價，元/m3；Com切pan送yn橡ame6.2幾個化工綿單元操作昌優(yōu)化實例精餾塔最標(biāo)佳回流比患的確定當(dāng)D、Rm、Nm、p和T等為已升知值，魯其他的嫁物性和野經(jīng)濟(jì)參變數(shù)也為諒已知值緣瑞時，精范餾塔的腐年費(fèi)用CZ是R的函數(shù)，傾最佳操作R同樣可巡壽以通過這極值法稍和窮舉迅法求得春。Comp即any滋name6.3過程系豬統(tǒng)的優(yōu)京化技術(shù)的發(fā)浙展使人們記認(rèn)識到，員要把一個獻(xiàn)裝置作為達(dá)整體來考異慮，使之既能耗最小澇、年費(fèi)用孝最小和環(huán)優(yōu)境污染最責(zé)小，達(dá)到淘整體設(shè)計伐的優(yōu)化，銷稱為過程別的集成。廚通常在同腎一裝置內(nèi)你有多股物浸料需要加訓(xùn)熱，另有局多股物料頭需要冷卻吐。如果把俯這些物料殖相互匹配鋒，使熱流輪體放出的鈔熱量提供嚴(yán)給冷流體麗加熱，這甘樣可以大劉大減少加墾熱蒸汽和擔(dān)冷卻水的殼耗量，使蓮能量利用弄率大為提夢高。過程績集成中目撈前最實用救的方法是辜夾點技術(shù)謝。Com戲pan唇y(tǒng)n疫ame6.3過程系統(tǒng)弊的優(yōu)化溫焓圖和想復(fù)合曲線根據(jù)熱量壞衡算可知晝，溫度上止升即流體剃的焓值增凝加，當(dāng)流凳體的比熱默容為常數(shù)依時可寫為抹：溫焓圖直線的斜忠率為1/(qm1cP1)。Comp櫻a(bǔ)ny農(nóng)name6.3過程系扔統(tǒng)的優(yōu)通化溫焓圖和靜復(fù)合曲線復(fù)合溫最焓圖Com配pan檢yn圖ame6.3過程系統(tǒng)下的優(yōu)化夾點和濱換熱系累統(tǒng)的集混成(a)Comp遇any瞎name6.3過程系統(tǒng)仆的優(yōu)化夾點和換脆熱系統(tǒng)的因集成(b)Comp溉any玩name6.3過程系統(tǒng)炸的優(yōu)化夾點和換撥熱系統(tǒng)的靠集成(c)Com依pan口yn娃ame6.3過程系刷統(tǒng)的優(yōu)問化系統(tǒng)熱養(yǎng)集成的獅目標(biāo)函朱數(shù)熱復(fù)合愉曲線和厲冷復(fù)合謹(jǐn)曲線的謹(jǐn)相互位繪置決定暈了夾點漂溫差，閃同時也濤確定了駁需要換晃熱器的守個數(shù)、旬傳熱面館積的大朝小及冷他卻水和浮加熱蒸乘汽的耗追量。系統(tǒng)熱咱集成的抄目標(biāo)函縫數(shù)有多躺種選擇端。其中出以年費(fèi)浮用為目丹標(biāo)函數(shù)男的形式刺如下：Com悼pan萄yn脈ame6.3過程系晚統(tǒng)的優(yōu)眠化系統(tǒng)熱集猴成的目標(biāo)貍函數(shù)年費(fèi)用為輛夾點溫差草的函數(shù)，臺其計算步鏡驟如下：（1）輸入已國知條件、脊