原甲酸三甲酯-醋酸萃取精馏全局多目标优化

在生产杀菌剂嘧菌酯中间体过程中,反应物原甲酸三甲酯（TMOF）与生成物醋酸（HAc）发生共沸,导致反应物堆积和原料损耗。为解决共沸物分离问题,使用Hayden-O'Connell修正的UNIFAC基团贡献法研究其汽液平衡,设计常规萃取精馏（CED）、侧线萃取精馏（SED）、隔壁塔萃取精馏（EDWC）三种工艺,以分离组分摩尔纯度、再沸器热负荷（Q）、年度总费用（TAC）为目标,运用灵敏度耦合箱线图响应面法（S-BBD）对三种工艺参数分别优化。结果表明,优化方法预测值与实际值存在较优拟合关系, CED、SED、EDWC对TAC和Q的预测误差均不超过1%。分离纯度相同时,SED较CED节约10.37%TAC和6.88%热负荷,EDWC较CED节约10.65%TAC和10.53%热负荷,三种工艺方案均可为化工实际生产提供理论基础。     

原甲酸三甲酯-醋酸萃取精馏全局多目标优化

在生产杀菌剂嘧菌酯中间体过程中,反应物原甲酸三甲酯（TMOF）与生成物醋酸（HAc）发生共沸,导致反应物堆积和原料损耗。为解决共沸物分离问题,使用Hayden-O'Connell修正的UNIFAC基团贡献法研究其汽液平衡,设计常规萃取精馏（CED）、侧线萃取精馏（SED）、隔壁塔萃取精馏（EDWC）三种工艺,以分离组分摩尔纯度、再沸器热负荷（Q）、年度总费用（TAC）为目标,运用灵敏度耦合箱线图响应面法（S-BBD）对三种工艺参数分别优化。结果表明,优化方法预测值与实际值存在较优拟合关系, CED、SED、EDWC对TAC和Q的预测误差均不超过1%。分离纯度相同时,SED较CED节约10.37%TAC和6.88%热负荷,EDWC较CED节约10.65%TAC和10.53%热负荷,三种工艺方案均可为化工实际生产提供理论基础。     

基于Aspen Plus和NSGA-Ⅱ的隔壁塔多目标优化研究

以年总操作费用(TAC)和再沸器负荷为目标,提出了基于遗传算法NSGA-Ⅱ的优化方法,并将该方法应用于BTX分离隔壁塔的优化设计。首先应用Aspen Plus软件建立了BTX分离工艺的隔壁塔Radfrac两塔模型,并在Matlab平台上,通过MAP接口工具箱实现Matlab对Aspen Plus的操作与控制,同时Matlab调用NSGA-Ⅱ进行优化,完成种群大小为600、遗传代数为28的模拟过程,得到了10组Pareto解。研究表明,对于Pareto解分布,气相分配量βg、液相分配量βL、侧线抽出位置NS和液相分配位置NL基本不变,进料位置NF、预分馏塔板Nj和主塔板数Ni存在一定的线性关系。     

连续隔壁塔分离乙二胺衍生物的模拟优化

二氯乙烷法制乙二胺会产生多种具有较高经济价值的副产品,为分离得到此类高纯度的副产品,提出采用2个连续隔壁塔分离的新工艺。首先,使用Aspen Plus设计并模拟连续隔壁塔分离乙二胺衍生物流程,验证该工艺的可行性。然后,以年度总费用(TAC)为优化目标,对各塔理论塔板数、隔板位置、进料位置、侧线采出位置等设计参数进行优化。最后,将优化后的连续隔壁塔流程与已优化的常规直接分离序列进行比较,结果表明:隔壁塔流程可降低再沸器负荷23.15%,降低操作费用18.59%,年度总费用降低12.11%。因此,使用隔壁塔技术分离乙二胺衍生物可以有效地节约能耗、降低成本。     

碳五隔壁反应精馏预处理工艺模拟及多目标优化

针对碳五综合利用预处理工段能耗较高的现状，在反应精馏(RD)预处理流程基础上提出了隔壁反应精馏(RDWC)预处理流程。首先，利用化工模拟软件Aspen Plus搭建RDWC四塔等效严格模型，并对其进行自由度和单变量分析。在此基础上，以响应面Box-Behnken Design(BBD)方法作为模型拟合工具，拟合出目标变量与决策变量之间的函数关系，并对拟合结果进行方差分析(ANOVA)。最后采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)对RDWC预处理流程进行多目标优化，得到一系列Pareto最优解，选出其中年总成本(TAC)最小的一组解与RD预处理流程进行对比。结果显示：与RD预处理流程相比，RDWC预处理流程可以节约TAC 12.8%，节省再沸器负荷27.8%，选择性也有所提高。     

反应精馏隔壁塔生产乙酸正丁酯的优化与控制

对反应精馏隔壁塔生产乙酸正丁酯过程进行了模拟、优化与控制的系统研究。利用Aspen Plus软件模拟乙酸甲酯与正丁醇的酯交换反应过程,以年总费用（TAC）为目标函数进行过程优化,通过稳态敏感性分析及相对增益矩阵（RGA）判据得到不同的操纵变量与控制变量匹配关系,以此为基础,在Aspen Dynamics平台建立了若干控制结构并进行分析对比。结果表明,利用两股反应物呈比例进料可较为有效地抵抗进料扰动,最后提出的无再沸器热负荷与混合物进料量比值（Q_r/F）控制的改进控制结构CS3,在降低反应精馏隔壁塔控制过程超调量方面有较大的优越性。     

制取无水叔丁醇的精馏工艺优化和对比

无水叔丁醇是一种重要的化工原料,然而在工业生产过程中会与水形成最低共沸物,难以通过简单精馏的方式获得。基于此,本文提出双塔萃取精馏、隔壁塔萃取精馏和反应精馏三种精馏工艺来制取高纯度叔丁醇。在双塔和隔壁塔萃取精馏的优化中,利用Aspen Plus软件模拟该分离过程,以年度总费用（TAC）为目标进行过程优化,得到最佳操作参数。在反应精馏塔中,采用环氧乙烷多股进料的方式,环氧乙烷可与水反应并打破叔丁醇/水的共沸平衡最终制得无水叔丁醇。鉴于反应精馏塔的复杂性,对于反应精馏塔的操作参数进行详细的灵敏度分析以确定反应精馏塔在叔丁醇除水的可行性和潜力。模拟结果表明,与双塔萃取精馏相比,隔壁塔萃取精馏虽然能降低能耗但是也会增加6.51%的TAC,因此隔壁塔萃取精馏并不具有经济性;而反应精馏塔则能降低47.69%的能耗和35.36%的TAC,显现出巨大的应用潜力。     

热集成变压精馏分离乙二胺-水共沸体系的模拟优化

针对乙二胺-水共沸物组成对压力较为敏感的特性,采用部分热集成变压精馏工艺分离该共沸物。先利用Aspen Plus软件对该工艺进行稳态模拟,再以理论塔板数、进料位置、回流比为优化变量,水和乙二胺的纯度为约束,以年度总费用（total annual cost,TAC）为目标函数建立乙二胺-水共沸体系分离系统的优化设计模型。采用列队竞争算法对该分离过程主要工艺参数进行优化,得到了变压精馏分离乙二胺-水体系的最佳工艺操作参数及设备参数。模拟结果表明,利用算法对多变量进行同时优化可得到更具经济效益的分离系统,与传统优化结果相比,可降低TAC约7.31%。在此基础上,对高压塔的操作压力进行优化分析,将其由2atm提升至4atm（1atm=101325Pa）,并对流程其他参数进行优化,可显著降低TAC约24.62%。进一步,采用部分热集成比普通变压双塔精馏降低TAC约21.87%     

面向能耗的3C门铃注塑成型多目标工艺优化

采用NSGA-Ⅱ及正交实验法与门铃挂架注塑成型有限元模拟技术,确定了符合产品质量特性和能效的多目标最佳工艺方案。以门铃塑件注塑工艺参数为实验变量,翘曲总变形、产品重量及能耗为响应优化指标,基于Moldflow模流分析设计多因素多水平多目标正交试验模型,并借助正交表进一步设计NSGA-Ⅱ优化模型。利用极差分析方法及Pareto前沿解分析了各因素对多目标优化指标的影响规律,并通过试模实验验证了2种优化实验模型的可行性及其优化效果。研究发现,保压压力和熔体温度是影响产品质量特性和能耗的主要因素,并获得多目标优化最佳成型工艺方案。优化后的成型工艺方案提高了PIM过程的稳定性,产品翘曲变形值、重量及能耗分别降低了16. 3%、3. 0%、18. 9%,符合企业绿色制造的要求。     

基于响应面模型的注塑件工艺参数混合优化

以汽车反光罩作为研究对象,选取模具温度、熔体温度、保压压力、保压时间作为试验变量,以体积收缩率和翘曲变形作为优化目标,采用Box Behnken试验设计方法,建立试验变量与优化目标之间的二阶响应面模型,通过Design Expert软件进行方差分析得到最优序列,并且由此预测最优结果。利用Moldflow软件对最优序列进行模拟分析,验证模型预测的准确性。结果表明,应用二阶响应面模型进行优化设计是提高产品质量的一种有效途径。     

基于NSGA-Ⅱ的模拟移动床色谱分离过程多目标操作优化

多目标优化策略被应用于模拟移动床过程的操作优化中，采用一种基于Pareto最优解的多目标优化算法——NSGA-Ⅱ算法，以分离联萘酚对映体的模拟移动床色谱分离过程作为研究对象，利用模拟移动床TMB数学模型，以分离性能指标作为目标函数进行了多目标操作优化设计。优化结果表明，NSGA-Ⅱ算法得到的非劣解在目标空间分布均匀，算法收敛性和鲁棒性好。基于NSGA-Ⅱ算法的面向分离性能多目标优化设计方法为模拟移动床分离过程的工艺设计和操作指导提供了有效的工具。     

低共熔溶剂分离异丙醇-水体系的研究

分别以乙二醇和氯化胆碱/乙二醇(摩尔比1∶2)低共熔溶剂为萃取剂,设计萃取精馏和隔壁塔萃取精馏流程,模拟分离异丙醇和水形成的共沸体系。使用Aspen Plus中Sensitivity对2种流程进行参数优化。结果表明:与乙二醇萃取精馏相比,低共熔溶剂用量减少32%,能耗降低8%,年度总费用(TAC)降低8.5%;采用隔壁塔萃取精馏,乙二醇为萃取剂时能耗降低12%,TAC降低9%;低共熔溶剂为萃取剂能耗降低12%,TAC降低15.2%。采用低共熔溶剂的萃取隔壁塔流程节能优势明显。     

反应精馏隔壁塔生产乙酸正丁酯的优化与控制

对反应精馏隔壁塔生产乙酸正丁酯过程进行了模拟、优化与控制的系统研究。利用Aspen Plus软件模拟乙酸甲酯与正丁醇的酯交换反应过程,以年总费用(TAC)为目标函数进行过程优化,通过稳态敏感性分析及相对增益矩阵(RGA)判据得到不同的操纵变量与控制变量匹配关系,以此为基础,在Aspen Dynamics平台建立了若干控制结构并进行分析对比。结果表明,利用两股反应物呈比例进料可较为有效地抵抗进料扰动,最后提出的无再沸器热负荷与混合物进料量比值(Qr/F)控制的改进控制结构CS3,在降低反应精馏隔壁塔控制过程超调量方面有较大的优越性。     

基于响应曲面法的旋风分离器结构优化

为了优化旋风分离器的分离效率和能量损耗,确定影响旋风分离器性能的主要结构参数,采用响应曲面模型和CFD数值模拟,以排尘口直径（D_d）、排气口直径（D_e）、入口速度（V）为设计变量,以压降和总分离效率为目标函数,进行三因素的优化设计分析。研究结果表明,排尘口直径对压降和分离效率影响不大,排气口直径与速度对压降和分离效率影响显著,且排气口直径与速度的交互作用明显。针对本次0.5～10 μm的颗粒群,推荐最优参数组合是D_e/D=0.35、D_d/D=0.37、V=12 m/s。与实验的结构相比,在相近的分离效率情况下,压降降低了一半,有效地减少了能耗。表明所建立的响应曲面模型能够较精确地表示设计变量与目标函数之间的关系,基于响应曲面模型的优化设计方法可以有效用于旋风分离器的结构优化。同时不同的粒径要求可以采用不同的结构进行除尘,在达到分离要求的前提下,采用最小压降的结构,本次研究为分离0.5～10 μm粒径的结构提供有利的依据。     

基于NSGA-Ⅱ算法的含汞天然气脱水脱烃单元工艺参数优化

在含汞天然气的脱水脱烃处理过程中,部分汞会进入外输干气。为降低外输干气中汞的质量流量并考虑系统能耗,利用HYSYS软件模拟了高含汞天然气脱水脱烃单元,探究低温分离器进料温度、乙二醇质量分数、乙二醇质量流量对外输干气中汞质量流量以及系统能耗的影响。在此基础上,依据响应面法建立各关键参数与外输干气中汞质量流量以及系统能耗的多目标优化模型,并使用NSGA-Ⅱ(非支配排序遗传算法Ⅱ)进行多目标寻优。结果表明：经过NSGA-Ⅱ算法计算出的Pareto解值与HYSYS模拟值误差小于1%,其结果精确度较高。且经优化后的外输干气中汞的质量流量以及系统能耗均有所下降,故可利用NSGA-Ⅱ算法求解得到的Pareto解集可为天然气脱水脱烃流程的参数优化提供指导。     

基于NSGA-Ⅱ的面曝光3D打印工艺参数多目标优化

为改善面曝光3D打印制件的打印质量差、效率低等问题,采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对工艺参数进行优化。选择温度、分层厚度、曝光时间、回合等待时间为优化变量,成型试样的变形率、表面硬度、时间为优化目标,通过单因素实验确定优化变量约束范围。根据Box-Behnken实验方案,建立各优化目标的预测模型,使用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化,规定优先精度、优先硬度、优先速度原则,按照不同优化原则分析帕累托前沿得到对应的最优工艺参数,并进行打印验证。结果表明,优先精度原则下,变形率最小值为0.508%,与优化前相比,降低了9.290%;优先硬度原则下,表面硬度最高达到95.3 HD,与优化前相比,提高了0.316%;在优先速度原则下,打印时间与优化前相比缩短了17.220%,优化效果显著。     

基于遗传算法的管式除雾器多目标优化设计

开孔管式除雾器是一种具有较低流动阻力的除雾器,为了研究其结构对性能的影响、设计高效低阻的管式除雾器,借助计算流体力学(CFD)软件,分析了设计变量(翅片直径、螺距、管长和入口流速)对除雾效率和压降的单因素和多因素影响,通过响应面法(RSM)建立数学关系式,并利用第2代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行多目标优化设计,得到了一系列具有较高除雾效率和较低流动阻力除雾器结构的帕累托优化点集。结果表明,增加螺距、管长和入口流速有利于增加除雾效率,加长螺距可以减小流动阻力。与初始设计对比发现,帕累托优化点的除雾效率增加了20.2%,压降降低了60.5%。而且,帕累托优化结果的预测精度较高。     

基于响应面模型和遗传算法的注塑工艺多目标优化

结合Taguchi试验设计,利用注塑成型计算机辅助工程（CAE）模拟软件Moldflow对不同工艺参数下的注射成型进行模拟分析,对成型塑件体积收缩率、翘曲变形及缩痕指数3个目标进行综合评判;建立综合评分与工艺参数关系的代理模型——响应面模型,然后结合遗传算法进行全局多目标优化寻优,获得最优工艺组合,并进行模拟验证。结果表明,建立的响应面模型是可靠的,利用响应面模型进行注塑工艺多目标优化是一种有效的方法。     

吸收塔优化设计目标函数建立与求解

建立了吸收系统优化设计模型。该模型以整个吸收系统的年总费用（包括塔设备费用、填料费用、离心泵、风机和各辅助设备的年折旧维修费、吸收剂费用等）最小为优化目标，以吸收塔的液汽比为决策变量，用黄金分割法求得最优解。算例表明，该吸收系统的液汽比取值对优化结果影响显著。吸收塔优化设计比常规设计可节省年费用9.5%左右。     

响应面法应用于隔壁塔优化的研究

响应面法是一种考虑多因素的优化方法,结合Design Expert中的Box-Behnken设计方法来分析隔壁塔,并预测优化因素。运用Aspen Plus模拟,简捷计算和严格计算后,通过灵敏度功能逐个分析操作参数,在达到相同分离效果时,结果与传统二塔对比。最后,以进料位置、侧线采出位置、液相流量和气相流量为4因素,再沸器热负荷和各个产品的摩尔分数为响应值,进行试验设计分析获得全局最优值。结果表明,每个因素对响应值的影响均显著,总热负荷分别降低23.6%、18.4%,塔板数减少,成本降低。相对于隔壁塔单因素的优化,产品纯度提高,能耗也进一步降低。