[发明专利]一种板式精馏过程的混合整型非线性优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种化工过程的优化设计方法，具体地说，设计一种板式精馏过程的混合整型非线性优化设计方法。

背景技术

精馏过程的优化是实现精馏过程最优经济效益的主要手段，对于提高产品的质量、降低能耗有着重要的意义。对精馏塔的优化设计包含塔板数目、进料位置和操作条件的选取，最小化总投资成本和操作成本。该优化过程包含与操作条件、能量等相关的连续变量以及塔板数、进料位置等离散变量。所以精馏过程的优化问题为非线性混合整型规划问题。通常，混合整型非线性规划(MINLP)算法可以求解这类问题。但混合整型非线性规划(MINLP)算法求解精馏模型所需的时间依赖于模型的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是提供板式精馏过程的优化设计方法。本发明分别通过建立板式精馏过程的广义析取规划(GDP)模型、预处理过程、模型进行求解得到最佳进料位置和最优塔板数，给出了一种有效的苯-甲苯精馏过程的优化设计方法，解决了精馏过程同时优化离散变量和连续变量的难题。同时本发明给出的预处理过程，为精馏模型的求解提供了恰当的初始值和边界值，能够保证精馏模型求解的全局收敛性和全局最优解。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种苯-甲苯精馏过程的优化设计方法，包括以下步骤：

(1)建立精馏过程的GDP模型：

精馏塔的GDP模型结构如图1所示：热量的交换发生在精馏塔两端的塔板上，这两块塔板和进料板都被称为“固定塔板”。其余的塔板则被称为“条件塔板”，其存在条件由相应布尔变量定义。塔板超结构如图2所示。根据精馏过程体系的物系特征分别建立固定塔板和条件塔板由物料平衡方程、气液平衡方程、摩尔分数归一化方程和能量平衡方程等数学表达式组成的机理模型。优化的目标函数为最小化投资费用和操作费用之和的年总成本。

(2)建立预处理过程：

在预处理阶段，初始值和边界值可以通过系统地解决优化问题来获取。主要通过获取一个合理的设计作为经济优化问题的初始估计。通过理论上可逆模型的计算可以得到严格精馏模型的初始值和边界值，能够保证精馏模型求解的全局收敛性和全局最优解。给定进料混合物的性质和组成、气化率和操作压力，用闪蒸模型求解精馏过程的气液平衡方程。该闪蒸模型中，气相压力由Wagner’s方程求解得到。气相和液相焓值由温度的多项式求解得到。预处理过程的原理如图3所示，该过程包含了两个基本的NLP子问题。

第一个NLP问题：根据可逆精馏段和提馏段的物料平衡方程、能量平衡方程和归一化方程、进料段的物料平衡方程、总的气液平衡方程建立可逆精馏过程的数学模型。

第二个NLP问题：根据精馏过程夹点模型的塔顶、塔底、重组分完全采出的部分精馏段和轻组分完全采出的部分提馏段的物料平衡方程、能量平衡方程和归一化方程，建立精馏过程夹点的数学模型。

(3)精馏过程GDP模型求解过程：

GDP模型运用了LBOA算法，该算法通过简化的NLP子问题和MILP主问题的迭代进行求解。GDP模型的求解步骤(图5)为：1)预处理过程的求解；2)求解GDP相关的预处理项：求解所有塔板存在的NLP子问题和部分塔板存在的NLP子问题；3)求解运用了GDP算法的系统综合问题。

本发明的有益效果：

本发明针对板式精馏过程，建立该过程的GDP模型。并在模型求解前进行预处理，该过程通过求解一系列的NLP问题得到了GDP模型的初始值和边界值，降低了求解的难度。GDP模型在MINLP模型的基础上引入了逻辑变量和析取表达式，使得建模过程简单直观，同时也使得NLP子问题的求解难度降低。可以为苯-甲苯精馏过程的优化控制提供结构参数和操作参数的初始值，对实际生产过程具有指导意义。

附图说明

图1存在固定塔板和条件塔板的GDP精馏塔结构示意图

图2单个塔板GDP超结构：(a)固定塔板(b)条件塔板

图3预处理过程原理图

图4可逆产物计算原理图

图5鞍夹点平衡控制容积的计算原理图

图6GDP求解步骤示意图

具体实施方式

苯(C₆H₆)和甲苯(C₇H₈)都是芳烃类碳氢化合物，都是重要的有机化工原料，在化学工业中占有极其重要的地位。苯的沸点为80.2℃，甲苯的沸点为110.6℃。在常温下，苯是一种无色、有芳香气味的透明液体，易挥发；甲苯则呈无色液体状态。