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【6h】

非线性改进的p-图理论应用于工艺路线选择

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摘要

引言

1 文献综述

1.1 过程网络综合

1.2 化工工艺路线选择

1.3 过程网络综合的研究方法

1.3.1 直观推断法

1.3.2 夹点分析法

1.3.3 层次分解法

1.3.4 模拟分析法

1.3.5 数学规划法

1.3.6 人工智能方法

1.3.7 图论方法

1.3.8 复合方法

1.4 P-图理论在过程网络综合中的应用

1.4.1 P-图理论在分离网络中的应用

1.4.2 P-图在反应路径识别中的应用

1.4.3 P-图在换热网络综合中的应用

1.4.4 P-图理论在供应链中的应用

1.4.5 P-图理论在工艺路线选择中的应用

1.5 P-图理论的特点

1.6 P-图理论辅助建模工具

1.7 本论文研究内容

2 支持非线性约束的P-图理论建模框架研究

2.1 P-图理论建模框架基础

2.1.1 数学定义

2.1.2 基本公理

2.1.3 P-图理论的数学规划形式

2.2 P-图理论基本求解算法

2.3 P-图理论的求解流程

2.4 支持非线性约束的P-图模型框架

2.4.1 输入-输出非线性关系

2.4.2 与费用项相关联的非线性

2.4.3 改进的P-图理论算法流程图

2.5 非线性模块算法实现

2.6 本章小结

3 改进的P-图理论在工艺路线选择中的应用

3.1 不考虑非线性的P-图模型

3.1.1 过程超结构的建立

3.1.2 物料与设备相关参数收集

3.1.3 P-图模型建立

3.1.4 模型求解与灵敏度分析

3.2 考虑非线性关系的P-图模型

3.2.1 P-图模型的非线性改进

3.2.2 改进模型的处理

3.2.3 模型求解

3.2.4 求解结果与灵敏度分析

3.3 考虑多目标的P-图模型

3.3.1 第二目标设定

3.3.2 多目标问题求解

3.3.3 结果分析

3.4 本章小结

4 P-图理论辅助选择炼厂气资源回收过程工艺参数

4.1 问题定义与假设

4.2 轻烃回收工艺中待优化参数的选择

4.3 构建用于工艺参数选择的P-图模型

4.3.1 工艺相关数据的估算

4.3.2 基础P-图模型

4.3.3 逻辑约束

4.4 模型求解与结果分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

P-图理论是一种基于图论的过程网络综合工具,其主要优势包括:公理化生成严格超结构、支持逻辑约束、算法化减少冗余结构、建模过程直观等,能高效处理超结构中含较多子结构的过程网络综合问题。但到目前为止,P-图理论的内层约束中还缺少对非线性约束的支持,在一定程度上限制了该理论的应用范围。因此,本文通过拉格朗日线性插值的方法,在P-图理论的设备约束层中增加了对非线性方程的支持,并应用于生物质能源分离过程的工艺路线选择中。
  提出了基于拉格朗日线性插值处理P-图中非线性问题的方法。首先在P-图理论的建模框架、数学定义和公理约束的基础上,提出P-图理论建模框架的数学规划表述。结合工程上常见的两类非线性约束,针对P-图理论暂不支持非线性约束这一问题,在P-图理论现有的求解流程和求解算法的基础上,提出基于拉格朗日线性插值的处理非线性问题的方法,给出了相应的算法流程,并使用Python语言编写了相应的外置程序,并调用pns_solver求解。该处理方法可以作为一个外置模块,嵌入到P-图理论的模型框架中,以扩展P-图理论的适用范围。
  将非线性改进后的P-图理论框架应用于生物质能源的分离工艺路线选择中。首先利用P-图对该工业案例进行模型构建,通过模型求解得到经济目标最优的工业生产路线;其次在设备费用的计算中,采用规模指数法来估算设备费用,并使用本文提出的支持非线性的P-图理论求解流程进行计算,发现合理选择设备尺寸,可以使不同生产规模下的产品成本降低10%~50%;在此基础上,还将污染物浓度这一环境因素也考虑在P-图模型中,构建多目标P-图模型,利用P-graph Studio在求解过程中,保留多个可行解的特点,得到经济-环境双目标关系,用以辅助项目建设初期的环境影响评估。
  将P-图理论扩展应用到轻烃回收工艺参数的选择中。在实际工艺设计中,工艺参数的选择也属于工艺路线设计的一部分,因此本部分将P-图理论扩展到轻烃回收工艺参数的选择中,考察当膜面积和塔板数在合理范围内同时变化时,整个工艺的费用变化情况。借助P-图理论的组合特性,减少了在目标函数计算时的重复性工作,并利用P-图理论的逻辑约束,将问题的组合数从137个降低到45个,并最终得到最小工艺费用所对应的工艺参数值。此外,该扩展应用具有一定的普遍性,所以在其他工艺参数的优化选择上也可以采用该方法。

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