基于遗传规划的生产混合物产品的分离过程综合研究

摘要

对混合物原料经过多种操作以生产不同组成的多个混合物产品的分离过程称为非清晰分离过程，它广泛存在于化工及石油工业中。因此，非清晰分离过程综合问题一直是过程综合领域的热门课题，但由于可能的分离计划数量会因流程中分流器、混合器和精馏塔间的强相互交联而呈几何级数递增，使该类问题具有极度组合复杂性。因此，目前对该类问题的研究水平只是停留在简单分离计划的制定上，而该类问题的重要性使我们有必要从流程水平上对其综合方法和策略进行深入研究开发。本文旨在建立一套基于遗传规划一复合形法联合综合方法，以年度总费用最低为优化目标，求解热集成非清晰分离最优流程，给出重要设备的主要工艺参数，为实际生产提供准确的理论依据。本文主要内容概括如下： 1.为了探讨遗传规划求解非清晰分离综合问题的理论基础，本文首先提出了求解生产纯组份产品的清晰分离问题的遗传规划-复合形法联合算法。在化工分离专业要求指导下，算法利用遗传规划求解以复杂精馏塔结构并结合热集成技术表示的清晰分离过程结构变量，提出适用于该类问题的编码模型和进化方案，并建立了一个随机匹配系统冷凝器和再沸器的热集成策略，可以产生不同精馏结构间的复杂热匹配方案；同时，采用复合形法优化分离系统中的所有连续变量，明显提高了计算效率。 2.在对清晰分离过程研究基础上，提出了求解非清晰分离问题的遗传规划-复合形法联合算法。首先，提出了化工节点模型，将精馏分离、分流及混合任务分别用精馏塔节点、分流器节点及混合器节点三类节点表示。其中，精馏塔节点和分流器节点均产生左右分支以分别表示对物流的分离及分流操作，设置相应的节点属性以分别表示它们的操作特性；对于混合器节点，本文建立了独特的多层混合器网格结构，该结构由若干行列的混合器排列构成，可以灵活表示任意混合操作。为了清楚表示每个混合器在网格结构中所处位置，在混合器节点中设置一对属性参数分别记录该混合器在网格结构中所处行及列数。 3.为了准确利用上述三类节点生成表示非清晰分离流程的遗传规划代码，本文建立了多层交叉树状编码结构，以多层混合器网格为基本框架，以网格中每个混合器为子根节点而随机生长出一棵遗传规划子树，子树由精馏塔节点和分流器节点随机连接构成。由于本文设定每个子树中任何精馏塔节点或分流器节点的分支可以随机连接到位于该层下方混合器网格中任意层面的任意位置混合器上，所以不同层次的子树之间可能有物流交叉，物流也可以越过多层混合器网格而直达终端产品混合器，则最终整个遗传规划代码树是由层层子树叠加而构成复杂的多交叉树状结构，用以描述非清晰分离流程中分流器、混合器和精馏塔间可能出现的各类复杂交联流程，使算法能够发现很难为其它算法所知的更优流程结构。 同时，提出了适用于非清晰分离问题的改进遗传规划进化策略，尤其对于交换和变异操作，不同操作步骤中分别定义不同的可操作节点类，以充分保证新生代码的专业有效性，从而显著提高算法的进化效率。 4.采用了结构变量与连续变量同步优化的综合策略。在利用遗传规划搜索最优流程结构的同时，利用复合形法优化系统的连续变量。其中，对于分流器的分配比及非清晰精馏塔中轻、重关键组份回收率，利用复合形法将其彻底优化，保证产生符合指定混合物产品要求的有效代码；对于精馏塔的操作压力及回流比，利用复合形法进行有限次搜索寻优。上述对不同类型连续变量的分策略优化方法，不但有效促进了结构变量优化的进程，而且明显提高了计算效率。 5.利用本文建立的适用于非清晰分离问题的遗传规划一复合形法联合算法，针对不同目标函数，从不同层次研究了该类问题。首先，以简单非线性函数为目标，对该类问题进行物流决策流程水平的搜索寻优，发现了比文献值更优解，证明了算法的有效性。 在此基础上，首次以年度总费用为目标函数，给出了非清晰分离系统的设备设计和费用模型，同时，提出了热集成策略，可以产生一个精馏塔的冷凝器和再沸器同时与多个其它塔的再沸器及冷凝器热匹配的复杂热集成方案。本文利用以上策略，首次求解了包括酯、烃及醇三类物系的典型非清晰分离问题。同时，与文献报道的5组份算例相比，求解了更大规模算例(最多11组份)。计算结果表明：基于本文建立的综合算法，流程中采用非清晰精馏塔并配合热集成研究，可以求得非清晰分离问题的最优结构决策流程。算法具有简单易行、计算量小及快速准确的优点，求解过程不需给出任何提示信息及不必给出系统超结构，求解问题范围广，是非清晰分离系统综合的有效方法。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

前言

第一章文献综述

1.1过程系统综合问题的定义

1.2化工分离系统综合问题的分类

1.3化工分离系统综合问题的研究方法

1.4非清晰分离综合问题研究进展

1.5本文的意义及研究内容

第二章遗传规划算法

2.1引言

2.2遗传规划算法

2.3本文提出基于遗传规划-复合形法的内外层联合算法

2.4本章小结

第三章基于遗传规划的清晰分离问题综合

3.1引言

3.2遗传规划算法的引入

3.3建立以塔段模型表示的复杂精馏塔结构

3.4建立求解简单塔流程的遗传规划编码策略

3.5提出描述简单塔流程的遗传规划代码生成方案

3.6提出求解清晰分离问题的遗传规划算法进化策略

3.7提出对复杂精馏结构的等价处理方法

3.8建立表达复杂精馏结构的遗传规划编码模型

3.9提出表示复杂精馏结构的遗传规划代码生成方法与进化操作

3.10提出复杂精馏结构热集成策略

3.11表示复杂精馏结构的遗传规划代码适应度的计算方法

3.12提出复合形法优化连续变量的求解策略

3.13精馏塔的设计计算

3.14公用工程

3.15计算举例与分析

3.16本章小结

第四章求解非清晰分离问题的改进遗传规划综合策略

4.1引言

4.2基于非清晰分离综合问题的遗传规划算法

4.3表示非清晰分离流程的多层交叉遗传规划编码结构的提出

4.4化工节点模型的提出

4.5提出表示非清晰分离流程的遗传规划代码生成方案

4.6提出适用于非清晰分离问题的进化操作方案

4.7提出非清晰分离流程中连续变量求解策略

4.8基于遗传规划的非清晰分离过程综合步骤

4.9本章小结

第五章基于简单目标函数的非清晰分离问题综合

5.1引言

5.2问题描述

5.3计算举例与分析

5.4本章小结

第六章基于费用模型的非清晰分离问题综合

6.1引言

6.2非清晰分离系统综合问题的目标函数

6.3设备的简捷设计及费用模型

6.4提出非清晰分离问题连续变量的优化策略

6.5适应度的计算

6.6基于费用模型的非清晰分离过程综合步骤

6.7计算举例与分析

6.8本章小结

第七章基于费用模型的热集成非清晰分离问题综合

7.1引言

7.2提出非清晰分离系统热集成策略

7.3基于费用模型的热集成非清晰分离过程综合步骤

7.4计算举例与分析

7.5本章小结

第八章结论与展望

8.1主要结论

8.2主要创新点

8.3今后工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢