第七节工艺流程优化 学习提示 工艺流程的优化属于化工系统工程学研究的范围。它是研究在一定条件下，如何用最 合适的技术路线和生产设备，以及最节省的投贷和操作贵用，合成最佳的工艺流程。 由于涉及的影响因素恩多，对整个工艺流程进行优化较为困难：可以通过对各个单元 操作或者工序进行优化，燃后将各个优化结果进行综合，以钱到优化的工艺流程。 关于工艺流程的优化，实施起来是十分困本的。如果贝凭若干评判标准从不同方案中 择优，一最只能取得定性的优化结果。如果要使寻优过程定量化，则必须对优化对象建立数 学榄型。从求解数学模型来获得最优化结果， 学习内容 [要点概括] 知识点一流程优化的基本摄念 ⊙ 流程优化的基木概念： (1》优化的数学表达术语 表达优化的数学术语通常是用对一个目标函数以决策变量为自变量求导数，并令导数 等于零的计算值来表示该决策变量的优化值。 (2)目标函数 目标函数是指优化对象的优化目标和评价标准。大多数工艺流程的优化是以经济指标 为优化目标， (3》决策变量和状态变量 D--X D为自由度，M为变量数。N为方程式数目： 为了使方程式有解，必须在求解前设定D个变量。这D个验立变量称之为“决策变量” 或“设计变量
第七节 工艺流程优化 学习提示 工艺流程的优化属于化工系统工程学研究的范围。它是研究在一定条件下，如何用最 合适的技术路线和生产设备，以及最节省的投资和操作费用，合成最佳的工艺流程。 由于涉及的影响因素很多，对整个工艺流程进行优化较为困难。可以通过对各个单元 操作或者工序进行优化，然后将各个优化结果进行综合，以找到优化的工艺流程。 关于工艺流程的优化，实施起来是十分困难的。如果只凭若干评判标准从不同方案中 择优，一般只能取得定性的优化结果。如果要使寻优过程定量化，则必须对优化对象建立数 学模型，从求解数学模型来获得最优化结果。 学习内容 • 工艺流程优化 知识点一：流程优化的基本概念 流程优化的基本概念： （1）优化的数学表达术语 表达优化的数学术语通常是用对一个目标函数以决策变量为自变量求导数，并令导数 等于零的计算值来表示该决策变量的优化值。 （2）目标函数 目标函数是指优化对象的优化目标和评价标准。大多数工艺流程的优化是以经济指标 为优化目标。 （3）决策变量和状态变量 D=M-N D 为自由度，M 为变量数，N 为方程式数目。 为了使方程式有解，必须在求解前设定 D 个变量。这 D 个独立变量称之为“决策变量” 或“设计变量
状态变量则是由设定的决策变量求解方程式求出的变量，其数目等于方程式数目N。 在对过程促化时，使目标函数达到极大值或极小值的决黄变量值。即为最优化解， (4)等式约柬 等式约束是指一组描述过程优化的方程式（数学模型），在求解时，可以消去与方程 式相等的变量数。 (5)不等式约束 任何变量都有其应用范围。如压力和物质组成不能为负数等。这些变量只有在一定的 葡围内变化才是合理的，所以要用不等式把求解的区域限制在一定的意围内。以减少优化计 算的工作量，并排障不合理的解。 用不等式求解时的这种不等式称之为最优化计算的不等式约束，而满足所有不等式约 束条件的点的集合，则移为优化计算的可行规， 知识点二：化工过程的优化方法 ⊙ 1,分析与比较方法 2。显函数形式的数学模型优化法 3。最优化数学法 查看评细内容 知识点三：工艺流程的定性优化方法 ⊙ 工艺流程的优化应当建立在化工过程优化的基确上，把若干最优或较优状态的化工过 程合成一个工艺流程。该工艺瓷程与同一产品生产的其他工艺流程相比，应为最优， 由于工艺流程的优化涉及工艺流程结构的组合和优化，在流程合成之前，其结构并不 存在，所以较难确定最优化目标函数，致使工艺流程的优化缺乏定量的计算依据，因此常采 用一些定性的或经整的寻优方法进行工艺流程的合成与优化， 查看详细内容 知识点四：工艺流程的计算机棋润 ⊙ 关于工艺流程的计算机榄拟。目前应用较为广泛的是“序贯核块”法。该法的要点如 下 (1)流程中每一个单元过程或设备，都可以建立相应的数学模型，根据这些数学模裂， 就可以编制流程模拟的子程序，这种子程序称之为“模块”： (2)将工艺流程图用框图表示，图中方框表示单元模块，称为“节点”，连接节点的 是流股： (3》寻找一个顺序，依次对组成工艺流程的单元模块进行计算：
状态变量则是由设定的决策变量求解方程式求出的变量，其数目等于方程式数目 N。 在对过程优化时，使目标函数达到极大值或极小值的决策变量值，即为最优化解。 （4）等式约束 等式约束是指一组描述过程优化的方程式（数学模型），在求解时，可以消去与方程 式相等的变量数。 （5）不等式约束 任何变量都有其应用范围。如压力和物质组成不能为负数等。这些变量只有在一定的 范围内变化才是合理的，所以要用不等式把求解的区域限制在一定的范围内，以减少优化计 算的工作量，并排除不合理的解。 用不等式求解时的这种不等式称之为最优化计算的不等式约束，而满足所有不等式约 束条件的点的集合，则称为优化计算的可行域。 知识点二：化工过程的优化方法 1．分析与比较方法 2．显函数形式的数学模型优化法 3．最优化数学法 查看详细内容 知识点三：工艺流程的定性优化方法 工艺流程的优化应当建立在化工过程优化的基础上，把若干最优或较优状态的化工过 程合成一个工艺流程，该工艺流程与同一产品生产的其他工艺流程相比，应为最优。 由于工艺流程的优化涉及工艺流程结构的组合和优化，在流程合成之前，其结构并不 存在，所以较难确定最优化目标函数，致使工艺流程的优化缺乏定量的计算依据。因此常采 用一些定性的或经验的寻优方法进行工艺流程的合成与优化。 查看详细内容 知识点四：工艺流程的计算机模拟 关于工艺流程的计算机模拟，目前应用较为广泛的是“序贯模块”法。该法的要点如 下： （1）流程中每一个单元过程或设备，都可以建立相应的数学模型，根据这些数学模型， 就可以编制流程模拟的子程序，这种子程序称之为“模块”； （2）将工艺流程图用框图表示；图中方框表示单元模块，称为“节点”；连接节点的 是流股； （3）寻找一个顺序，依次对组成工艺流程的单元模块进行计算；
(4》计算方法采用选代法，直到过程收敛为止。 查看评细内容 知识点五：工艺流程棋拟敏件的功能 ⊙ 工艺流程榄拟软作主要应用于以下几个方面： 1.工艺流程的合成与优化 2.工艺参数的优化 3。解决工艺流程中的“瓶颈”现象 4。研究设计存在的何题和操作同圈 5。对设计和操作参数的灵敏度进行分析 6.。参数拟合 查看洋饵内容 知识点大：工艺流程模块载件的组成 ⊙ 1。执行程序 2.。物性数据库 3。算法子程序 4。成本和经济评价指标 5。单元操作核块 查看洋细内容 知识点七：工艺流程棋块计算应注意的问想 ⊙ 1.正确模拟工艺流程 2。正确选择决策变量 3。正确确定决策变量的数值 4。逐步扩大工艺流程械块软件的计算范围 5。有效选择单元模块 查看详细内容 知识点八：如何减少工艺流程优化中的决策变量数 ⊙ 化学工艺流程系统化是一个多变量的优化问思，要解决这一复杂问愿，除了从数学上 解决最优化算法以及对非线性方程组如何求解等数学问愿外，还应从分析过程的特性中尽量 简化目标函数和减少待优化的决策变量数目
（4）计算方法采用迭代法，直到过程收敛为止。 查看详细内容 知识点五：工艺流程模拟软件的功能 工艺流程模拟软件主要应用于以下几个方面： 1．工艺流程的合成与优化 2．工艺参数的优化 3．解决工艺流程中的“瓶颈”现象 4．研究设计存在的问题和操作问题 5．对设计和操作参数的灵敏度进行分析 6．参数拟合 查看详细内容 知识点六：工艺流程模块软件的组成 1．执行程序 2．物性数据库 3．算法子程序 4．成本和经济评价指标 5．单元操作模块 查看详细内容 知识点七：工艺流程模块计算应注意的问题 1．正确模拟工艺流程 2．正确选择决策变量 3．正确确定决策变量的数值 4．逐步扩大工艺流程模块软件的计算范围 5．有效选择单元模块 查看详细内容 知识点八：如何减少工艺流程优化中的决策变量数 化学工艺流程系统化是一个多变量的优化问题，要解决这一复杂问题，除了从数学上 解决最优化算法以及对非线性方程组如何求解等数学问题外，还应从分析过程的特性中尽量 简化目标函数和减少待优化的决策变量数目
表61反应器的型式与特性 型式 适用的 混合特性 温魔控性 耳他特性 应用竿例 反应类 能 型 管式气相：液 返混很小 单位体积的 管内可加构件，如静态混径热裂解制亿 相，气液 传热面积 合器 绵，石油婴解 相 大，易控制 制度压聚乙烯 温度 等 空塔 液相 返混程度与塔 纳向温差校 纺构简单 尿素合成，萃 搅料 液液相 的高径比有关 大 乙饰聚合 塔 投拌液相，液 物科混合均习 温度均匀， 既可间顺操作，也可主续举硝化，两场 釜 液相，液 容易控制 操作 聚合，氯乙编 固相 聚合等 通气 气液相 返混程废大 祖度均匀， 气液相界面和持液常均 敏生物发醉， 搅井 容易拉制 较大，搅并器密封较困难 浆志三相催化 釜 反应 绝热 固相， 返混小 床层内不能 结构简单，投资和操作售 苯经化制亿 固定 气液相 控温度 用低 苯，丁标氧化 床 脱氧 列管 固相： 返泥小 传热面积 投资和授作费用介干绝 乙茶悦氢，由 式固 液因相 大，易控制 热固定床和流化床之间 乙梯制程酸乙 定床 温废 标 流化 气固相： 返形较大，不适 传热好，温 颗拉输送方便，但能耗丙梯氨氧化制 床 液因相 干高转化率或 度客易控制 大，适用于雀化失活快 丙烯嚅，石油 有串联副反应 的反应，操作费用大 催化裂化 的系统