一種板式精餾過程的混合整型非線性優化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種化工過程的優化設計方法，具體地說，設計一種板式精餾過程的 混合整型非線性優化設計方法。
【背景技術】
[0002] 精餾過程的優化是實現精餾過程最優經濟效益的主要手段，對于提高產品的質 量、降低能耗有著重要的意義。對精餾塔的優化設計包含塔板數目、進料位置和操作條件 的選取，最小化總投資成本和操作成本。該優化過程包含與操作條件、能量等相關的連續變 量以及塔板數、進料位置等離散變量。所以精餾過程的優化問題為非線性混合整型規劃問 題。通常，混合整型非線性規劃（MINLP)算法可以求解這類問題。但混合整型非線性規劃 (MINLP)算法求解精餾模型所需的時間依賴于模型的復雜程度。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提供板式精餾過程的優化設計方法。本發明分別通過建立板式精 餾過程的廣義析取規劃（GDP)模型、預處理過程、模型進行求解得到最佳進料位置和最優 塔板數，給出了一種有效的苯-甲苯精餾過程的優化設計方法，解決了精餾過程同時優化 離散變量和連續變量的難題。同時本發明給出的預處理過程，為精餾模型的求解提供了恰 當的初始值和邊界值，能夠保證精餾模型求解的全局收斂性和全局最優解。
[0004] 本發明的目的可以通過以下技術方案實現：
[0005] -種苯-甲苯精餾過程的優化設計方法，包括以下步驟：
[0006] (1)建立精餾過程的⑶P模型：
[0007] 精餾塔的⑶P模型結構如圖1所示：熱量的交換發生在精餾塔兩端的塔板上，這 兩塊塔板和進料板都被稱為"固定塔板"。其余的塔板則被稱為"條件塔板"，其存在條件由 相應布爾變量定義。塔板超結構如圖2所示。根據精餾過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、摩爾分數歸一化方程和能量平衡方程等 數學表達式組成的機理模型。優化的目標函數為最小化投資費用和操作費用之和的年總成 本。
[0008] (2)建立預處理過程：
[0009] 在預處理階段，初始值和邊界值可以通過系統地解決優化問題來獲取。主要通過 獲取一個合理的設計作為經濟優化問題的初始估計。通過理論上可逆模型的計算可以得到 嚴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解。給 定進料混合物的性質和組成、氣化率和操作壓力，用閃蒸模型求解精餾過程的氣液平衡方 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式 求解得到。預處理過程的原理如圖3所示，該過程包含了兩個基本的NLP子問題。
[0010] 第一個NLP問題：根據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、進料段的物料平衡方程、總的氣液平衡方程建立可逆精餾過程的數學模型。
[0011] 第二個NLP問題：根據精餾過程夾點模型的塔頂、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 精餾過程夾點的數學模型。
[0012] (3)精餾過程⑶P模型求解過程：
[0013] ⑶P模型運用了LB0A算法，該算法通過簡化的NLP子問題和MILP主問題的迭代進 行求解。GDP模型的求解步驟（圖5)為：1)預處理過程的求解；2)求解GDP相關的預處理 項：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)求解運用了GDP算 法的系統綜合問題。
[0014] 本發明的有益效果：
[0015] 本發明針對板式精餾過程，建立該過程的⑶P模型。并在模型求解前進行預處理， 該過程通過求解一系列的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模型的基礎上引入了邏輯變量和析取表達式，使得建模過程簡單直觀，同 時也使得NLP子問題的求解難度降低。可以為苯-甲苯精餾過程的優化控制提供結構參數 和操作參數的初始值，對實際生產過程具有指導意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1存在固定塔板和條件塔板的GDP精餾塔結構示意圖
[0017] 圖2單個塔板GDP超結構：(a)固定塔板（b)條件塔板
[0018] 圖3預處理過程原理圖
[0019] 圖4可逆產物計算原理圖
[0020] 圖5鞍夾點平衡控制容積的計算原理圖
[0021] 圖6⑶P求解步驟示意圖
【具體實施方式】
[0022] 苯（C6H6)和甲苯（C7H8)都是芳烴類碳氫化合物，都是重要的有機化工原料，在化學 工業中占有極其重要的地位。苯的沸點為80. 2°C，甲苯的沸點為110. 6°C。在常溫下，苯是 一種無色、有芳香氣味的透明液體，易揮發；甲苯則呈無色液體狀態。
[0023] 苯、甲苯等芳烴的主要生產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-甲苯精餾過程⑶P模型的建立：
[0025] 苯、甲苯、鄰二甲苯的三元混合物來測試上述所提到的方法。進料中苯、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，進料流量為10mol/s產物為飽 和液體，塔板數下限11_為5,塔板數上限n_為60,產品的純度要求為98 %。苯-甲苯精 餾塔的GDP模型結構如圖1所示：熱量的交換發生在精餾塔兩端的塔板上，這兩塊塔板和進 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。
[0026] C表示進料成分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。目標函數為最小化投資 費用和操作費用之和的年總成本1八(：。投資費用通過函數￡(階'，0。。1，4，^給定。這里目 標函數表示為：
[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] 對精餾塔的直徑、冷凝器傳熱面積、再沸器傳熱面積和塔板數的約束方程如下：
【主權項】
1. 一種板式精餾過程的混合整型非線性優化設計方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 建立板式精餾過程的廣義析取規劃（GDP)模型： 首先根據給定的板式精餾塔的進料成分和流率，以及最終分離得到的產物的純度要 求，建立板式精餾塔的GDP模型：熱量的交換發生在精餾塔兩端的塔板上，這兩塊塔板和進 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。根據精餾過程體系的物系特征，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、摩爾分數歸一化方程和能量平衡方程等數學表達式組成的機理模型。優化的目 標函數為最小化投資費用和操作費用之和的年總成本。 (2) 建立預處理過程： 預處理過程通過理論上可逆模型的計算可以得到嚴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解。給定進料混合物的性質和組成、氣 化率和操作壓力，用閃蒸模型求解精餾過程的氣液平衡方程。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式求解得到。預處理過程包含了兩 個基本的NLP子問題。 第一個NLP問題：根據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、進料段的物料平衡方程、總的氣液平衡方程建立可逆精餾過程的數學模型。 第二個NLP問題：根據精餾過程夾點模型的塔頂、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 過程夾點的數學模型。 (3) 精餾過程GDP模型求解過程： ⑶P模型的求解運用LBOA算法，該算法通過簡化的NLP子問題和MILP主問題的迭代進 行求解。GDP模型的求解步驟為：1)預處理過程的求解；2)求解GDP相關的預處理項：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)求解運用了 GDP算法的系統 綜合問題。
2. 根據權利要求1所述的一種板式精餾過程的混合整型非線性優化設計方法，其特征 在于將廣義析取規劃（GDP)算法運用到了精餾塔的建模和優化求解過程，是以塔板和進料 板的是否存在為邏輯變量，以年費用最小為目標函數，利用GAMS進行優化求解。
3. 根據權利要求1所述的一種板式精餾過程的混合整型非線性優化設計方法，其特征 在于采用了一般預處理過程，為GDP模型的求解提供了恰當的初始值和邊界值，降低了求 解的難度。
4. 根據權利要求1所述的一種板式精餾過程的混合整型非線性優化設計方法，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程優化設計。
【專利摘要】本發明公開一種板式精餾過程的優化設計方法，包括以下步驟：(1)建立苯-甲苯精餾過程的廣義析取規劃(GDP)模型；(2)建立苯-甲苯求解預處理過程；(3)求解苯-甲苯精餾過程的廣義析取規劃(GDP)模型。本發明給出了苯-甲苯精餾過程的優化設計方法，在模型求解前進行了預處理，該過程通過求解一系列的非線性問題得到了廣義析取規劃(GDP)模型的初始值和邊界值，降低了求解的難度。廣義析取規劃(GDP)引入了邏輯變量和析取表達式，使得建模過程簡單直觀，同時也使得非線性子問題的求解難度降低。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104850719
【申請號】CN201510297410
【發明人】薄翠梅, 黃慶慶, 李俊, 陸兵, 李芳芳
【申請人】南京工業大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年6月1日