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1、化工优化计算化工优化计算第1页，本讲稿共33页内容内容1.技术经济数据技术经济数据2.几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例3.过程系统的优化过程系统的优化Company name第2页，本讲稿共33页前言前言v每个优化问题都包含三个基本方面：每个优化问题都包含三个基本方面：至少有一个要优化的目标函数（利润函数、费用函数等）；至少有一个要优化的目标函数（利润函数、费用函数等）；等式约束；等式约束；不等式约束。不等式约束。v所所谓谓化化工工优优化化设设计计就就是是采采用用优优化化方方法法使使化化工工过过程程满满足足最最优优的的目目标标函函数数和和约约束束条条件件。这这一一最最优优目目标
2、标函函数数通通常常是是指指设设备备或或装装置置的的年年费费用为最小。用为最小。v在化工设计中确定某些参数时，需要考虑对设备费用和操作费用的影响。在化工设计中确定某些参数时，需要考虑对设备费用和操作费用的影响。Company name第3页，本讲稿共33页前言前言v化工装置的年费用化工装置的年费用=设备费用设备费用+操作费用。操作费用。v设设备备费费用用：一一般般指指设设备备的的购购置置费费用用、安安装装费费用用、维维修修费费用用按按折旧年限分摊到每年的成本。折旧年限分摊到每年的成本。v操操作作费费用用：指指每每小小时时生生产产所所需需的的水水、电电、蒸蒸汽汽等等费费用用乘乘以以年年开工小时数为
3、每年的成本。开工小时数为每年的成本。v由由于于优优化化设设计计涉涉及及技技术术经经济济参参数数，因因此此可可靠靠的的定定量量计计算算需需了了解解国国家家的技术经济政策和市场的价格走势。的技术经济政策和市场的价格走势。Company name第4页，本讲稿共33页6.1 技术经济数据技术经济数据v进进行行化化工工的的优优化化设设计计计计算算，必必须须要要有有技技术术经经济济数数据据或或相相应应的的数数据据库库。由由于于物物资资的的价价格格特特别别是是钢钢材材和和能能源源的的价价格格随随市市场场变变化化很很大大，所所以以技技术术经经济济数数据据不不像像物物性性数数据据是是固固定不变的，需要根据市场
4、的发展不断修正。定不变的，需要根据市场的发展不断修正。Company name第5页，本讲稿共33页6.1 技术经济数据技术经济数据v设备费用设备费用（1）按设备有固定的单价）按设备有固定的单价CS 设备的年费用，元；设备的年费用，元；SL 设备的数量，设备的数量，m2（或（或m3或或kg）；）；DJ 设备的单价，元设备的单价，元/m2（或（或 元元/m3 或或 元元/kg）；）；DJ 设备折旧费，设备折旧费，1/年；年；f 相关的校正系数。相关的校正系数。Company name第6页，本讲稿共33页6.1 技术经济数据技术经济数据v设备费用设备费用（2）按系列设备公式计算）按系列设备公式计
5、算 设备尺寸的函数。设备尺寸的函数。根据不同的设备有不同的函数形式。根据不同的设备有不同的函数形式。如管壳式换热器的计算公式为：如管壳式换热器的计算公式为：AL 换热器的传热面积，换热器的传热面积，m2；a、b 设备的回归系数。设备的回归系数。Company name第7页，本讲稿共33页6.1 技术经济数据技术经济数据v设备费用设备费用（2）按系列设备公式计算）按系列设备公式计算换热器换热器形式形式回归系数回归系数压力校正系数压力校正系数 f1材质校正系数材质校正系数 f2ab0.6MPa1.0MPa1.6MPa2.5MPa管程管程1Cr18Ni9Ti管程壳程均管程壳程均1Cr18Ni9Ti
6、固定管板固定管板3340.730.890.9211.126.59.5浮头式浮头式Company name第8页，本讲稿共33页6.1 技术经济数据技术经济数据v设备费用设备费用（2）按系列设备公式计算）按系列设备公式计算碳钢塔板的精馏塔计算公式为：碳钢塔板的精馏塔计算公式为：f1 美元对人民币的汇率；美元对人民币的汇率；f2 塔板因子系数，浮阀塔板取塔板因子系数，浮阀塔板取1，筛板塔板取，筛板塔板取0.85，泡罩塔板取泡罩塔板取1.59；f3 板数因子，板数因子，N20时取时取1，N20时由时由f3=2.25/1.0414N计算；计算；N 实际塔板数；实际塔板数；D 塔径，塔径，m。Compa
7、ny name第9页，本讲稿共33页6.1 技术经济数据技术经济数据v操作费用操作费用 CC 操作的年费用，元；操作的年费用，元；DS 水的单价，元水的单价，元/m3；qW 水的耗量，水的耗量，m3/h；DZ 蒸汽的单价，元蒸汽的单价，元/m3；WZ 蒸汽的耗量，蒸汽的耗量，kg/h；DD 电的单价，元电的单价，元/(kWh)；E 设备的动力消耗，设备的动力消耗，kW；年开工小时，年开工小时，h。Company name第10页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v求求解解优优化化问问题题的的方方法法往往往往根根据据条条件件的的不不同同而而各各有有差差异异。
8、如如目目标标函函数数只只涉涉及及一一个个变变量量，称称为为单单变变量量优优化化问问题题，否否则则为为多多变变量量问问题题。这这里里介介绍绍的的化化工工单单元元操操作作的的优优化化，都都是单变量的优化问题。是单变量的优化问题。Company name第11页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v最佳管径的设计最佳管径的设计 管管路路的的优优化化设设计计是是指指设设计计出出使使整整个个管管路路的的设设备备费费和和操操作作费费的的年年成成本本最最小小的的管管径径，对对高高压压管管路路和和远远距距离离管管线线的的设计尤其重要。设计尤其重要。管路特性方程管路特性方程
9、泵的电机输入功率泵的电机输入功率 Company name第12页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v最佳管径的设计最佳管径的设计管路质量：管路质量：m 管材质量，管材质量，kg；管壁厚度，管壁厚度，m；m 管材的密度，管材的密度，kg/m3；F 单位质量直管的管件折价数，一般为单位质量直管的管件折价数，一般为1.4 6.75。Company name第13页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v最佳管径的设计最佳管径的设计费用方程：费用方程：CZ 管路系统年总费用；管路系统年总费用；DJ 管路单位质量的价格（包括安装和
10、维修等费用）。管路单位质量的价格（包括安装和维修等费用）。因此：管路系统的年总费用因此：管路系统的年总费用CZ是管径是管径d的函数。的函数。Company name第14页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v最佳管径的设计最佳管径的设计（1）极值法：目标函数的一阶导数等于）极值法：目标函数的一阶导数等于0。可以通过迭代上述方程求解管径可以通过迭代上述方程求解管径d，即为最佳管径，但该管径需，即为最佳管径，但该管径需根据管材规格进行圆整。根据管材规格进行圆整。（2）穷穷举举法法：把把不不同同的的管管径径（按按管管材材的的规规格格）逐逐一一代代入入费费用用方方
11、程程，可可以以得得到到CZd的的列列表表函函数数，即即可可方方便便地地 得得到到最最佳佳的管径。的管径。Company name第15页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v换热器冷却水出口温度的优化换热器冷却水出口温度的优化 用用冷冷却却水水冷冷却却某某工工艺艺热热流流体体，当当换换热热器器的的传传热热量量为为已已知知，水水的的进进口口温温度度一一定定时时，根根据据传传热热计计算算可可知知：冷冷却却水水出出口口温温度度的的高高低低将将影影响响传传热热温温度度差差及及换换热热面面积积，即即影影响响设设备备费费用用；同同时时冷冷却却水水的的出出口口温温度度又又
12、影影响响冷冷却却水水的的用用量量即即操操作作费费用用。所所谓谓最最佳佳冷冷却却水水出出口口温温度度就就是是在在此此温温度度下下，换换热热器的设备和操作的年费用最小。器的设备和操作的年费用最小。Company name第16页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v换热器冷却水出口温度的优化换热器冷却水出口温度的优化 由热量衡算和传热速率：由热量衡算和传热速率：Company name第17页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v换热器冷却水出口温度的优化换热器冷却水出口温度的优化费用方程：费用方程：CZ 换热器年总费用；换热
13、器年总费用；DJ 换热器单位面积的费用（包括安装和维修等费用）。换热器单位面积的费用（包括安装和维修等费用）。DS 每千克冷却水费用（包括动力费用）。每千克冷却水费用（包括动力费用）。ZJ 换热器的折旧率，换热器的折旧率，1/年；年；换热器年工作小时，换热器年工作小时，h。因此：管路系统的年总费用因此：管路系统的年总费用CZ是管径是管径t2的函数。的函数。Company name第18页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v换热器冷却水出口温度的优化换热器冷却水出口温度的优化（1）极值法：目标函数的一阶导数等于）极值法：目标函数的一阶导数等于0。可以通过迭代
14、上述方程求解可以通过迭代上述方程求解t2，即为最佳冷却水出口温度。，即为最佳冷却水出口温度。（2）穷举法：把不同的出口温度）穷举法：把不同的出口温度t2代入费用方程，可以得到代入费用方程，可以得到CZ t2的列表函数，即可方便地得到最佳冷却水出口温度。上述计算对的列表函数，即可方便地得到最佳冷却水出口温度。上述计算对K作为常数考虑，如把作为常数考虑，如把K也作为也作为t2的函数，则计算难度将增加。的函数，则计算难度将增加。Company name第19页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v精馏塔最佳回流比的确定精馏塔最佳回流比的确定 回回流流比比是是精精馏
15、馏塔塔设设计计和和操操作作的的重重要要参参数数，回回流流比比的的大大小小直直接接影影响响精精馏馏塔塔的的能能耗耗及及塔塔板板的的直直径径和和数数量量。以以常常规精馏塔（泡点加料）为例。规精馏塔（泡点加料）为例。Company name第20页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v精馏塔最佳回流比的确定精馏塔最佳回流比的确定塔顶全凝器的冷凝热负荷为：塔顶全凝器的冷凝热负荷为：塔底再沸器的汽化热负荷为：塔底再沸器的汽化热负荷为：C,R 塔顶蒸气、塔底蒸气的摩尔汽化热，塔顶蒸气、塔底蒸气的摩尔汽化热，kJ/kmol；WZ 饱和水蒸气用量，饱和水蒸气用量，kg/h；
16、加热蒸气的汽化热，加热蒸气的汽化热，kJ/kg。Company name第21页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v精馏塔最佳回流比的确定精馏塔最佳回流比的确定Gilliland关联方程取：关联方程取：Company name第22页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v精馏塔最佳回流比的确定精馏塔最佳回流比的确定塔板直径应为气液负荷的复杂函数，现采用一种简单的形式塔板直径应为气液负荷的复杂函数，现采用一种简单的形式代入代入Company name第23页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优
17、化实例v精馏塔最佳回流比的确定精馏塔最佳回流比的确定费用方程：费用方程：DZ 蒸汽的单价，元蒸汽的单价，元/kg；DS 水的单价，元水的单价，元/m3；Company name第24页，本讲稿共33页6.2 几个化工单元操作优化实例几个化工单元操作优化实例v精馏塔最佳回流比的确定精馏塔最佳回流比的确定 当当D、Rm、Nm、p和和T等等为为已已知知值值，其其他他的的物物性性和和经经济济参参数数也也为为已已知知值值时时，精精馏馏塔塔的的年年费费用用CZ是是R的的函函数数，最最佳操作佳操作R同样可以通过极值法和穷举法求得。同样可以通过极值法和穷举法求得。Company name第25页，本讲稿共33
18、页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v技技术术的的发发展展使使人人们们认认识识到到，要要把把一一个个装装置置作作为为整整体体来来考考虑虑，使使之之能能耗耗最最小小、年年费费用用最最小小和和环环境境污污染染最最小小，达达到到整整体体设设计计的的优优化化，称称为为过过程程的的集集成成。通通常常在在同同一一装装置置内内有有多多股股物物料料需需要要加加热热，另另有有多多股股物物料料需需要要冷冷却却。如如果果把把这这些些物物料料相相互互匹匹配配，使使热热流流体体放放出出的的热热量量提提供供给给冷冷流流体体加加热热，这这样样可可以以大大大大减减少少加加热热蒸蒸汽汽和和冷冷却却水水的的耗耗量量，使使能能量
19、量利利用用率率大大为为提高。过程集成中目前最实用的方法是夹点技术。提高。过程集成中目前最实用的方法是夹点技术。Company name第26页，本讲稿共33页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v温焓图和复合曲线温焓图和复合曲线 根根据据热热量量衡衡算算可可知知，温温度度上上升升即即流流体体的的焓焓值值增增加加，当流体的比热容为常数时可写为：当流体的比热容为常数时可写为：温焓图温焓图直线的斜率为直线的斜率为1/(qm1cP1)。Company name第27页，本讲稿共33页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v温焓图和复合曲线温焓图和复合曲线 复合温焓图复合温焓图Company name第2
20、8页，本讲稿共33页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v夹点和换热系统的集成夹点和换热系统的集成Company name第29页，本讲稿共33页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v夹点和换热系统的集成夹点和换热系统的集成Company name第30页，本讲稿共33页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v夹点和换热系统的集成夹点和换热系统的集成Company name第31页，本讲稿共33页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v系统热集成的目标函数系统热集成的目标函数 热复合曲线和冷复合曲线的相互位置决定了夹点温热复合曲线和冷复合曲线的相互位置决定了夹点温差，同时也确定了需要换热器的个数、
21、传热面积的大小差，同时也确定了需要换热器的个数、传热面积的大小及冷却水和加热蒸汽的耗量。及冷却水和加热蒸汽的耗量。系统热集成的目标函数有多种选择。其中以年费用系统热集成的目标函数有多种选择。其中以年费用为目标函数的形式如下：为目标函数的形式如下：Company name第32页，本讲稿共33页6.3 过程系统的优化过程系统的优化v系统热集成的目标函数系统热集成的目标函数 年费用为夹点温差的函数，其计算步骤如下：年费用为夹点温差的函数，其计算步骤如下：（1）输入已知条件、物性参数、经济参数；）输入已知条件、物性参数、经济参数；（2）把需加热和冷却的物流复合成热复合曲线和冷复合曲线；）把需加热和冷
22、却的物流复合成热复合曲线和冷复合曲线；（3）设置夹点温差；）设置夹点温差；（4）划分所需的换热器个数；）划分所需的换热器个数；（5）估算每个换热器的传热面积；）估算每个换热器的传热面积；（6）计算设备年费用；）计算设备年费用；（7）计算冷却水和加热蒸汽的耗量；）计算冷却水和加热蒸汽的耗量；（8）计算公用工程的年费用；）计算公用工程的年费用；（9）计算总费用，并进行优化判断；）计算总费用，并进行优化判断；（10）如不符要求，对夹点温度优化搜索，重复（）如不符要求，对夹点温度优化搜索，重复（3）（9）；）；（11）符合要求，输出设计计算结果。）符合要求，输出设计计算结果。Company name第33页，本讲稿共33页