非线性改进的P-图理论应用于工艺路线选择

发布时间：2017-09-22 10:49

  本文关键词：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】：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。
【关键词】：P-图理论 过程网络综合 建模框架 非线性 工艺路线选择
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ018
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-24
• 1.1 过程网络综合11-12
• 1.2 化工工艺路线选择12
• 1.3 过程网络综合的研究方法12-15
• 1.3.1 直观推断法12-13
• 1.3.2 夹点分析法13
• 1.3.3 层次分解法13
• 1.3.4 模拟分析法13-14
• 1.3.5 数学规划法14
• 1.3.6 人工智能方法14-15
• 1.3.7 图论方法15
• 1.3.8 复合方法15
• 1.4 P-图理论在过程网络综合中的应用15-18
• 1.4.1 P-图理论在分离网络中的应用15-16
• 1.4.2 P-图在反应路径识别中的应用16-17
• 1.4.3 P-图在换热网络综合中的应用17
• 1.4.4 P-图理论在供应链中的应用17
• 1.4.5 P-图理论在工艺路线选择中的应用17-18
• 1.5 P-图理论的特点18-21
• 1.6 P-图理论辅助建模工具21-22
• 1.7 本论文研究内容22-24
• 2 支持非线性约束的P-图理论建模框架研究24-37
• 2.1 P-图理论建模框架基础24-28
• 2.1.1 数学定义24-25
• 2.1.2 基本公理25-26
• 2.1.3 P-图理论的数学规划形式26-28
• 2.2 P-图理论基本求解算法28-29
• 2.3 P-图理论的求解流程29-30
• 2.4 支持非线性约束的P-图模型框架30-34
• 2.4.1 输入-输出非线性关系30-31
• 2.4.2 与费用项相关联的非线性31-32
• 2.4.3 改进的P-图理论算法流程图32-34
• 2.5 非线性模块算法实现34-36
• 2.6 本章小结36-37
• 3 改进的P-图理论在工艺路线选择中的应用37-51
• 3.1 不考虑非线性的P-图模型37-43
• 3.1.1 过程超结构的建立38
• 3.1.2 物料与设备相关参数收集38-40
• 3.1.3 P-图模型建立40-41
• 3.1.4 模型求解与灵敏度分析41-43
• 3.2 考虑非线性关系的P-图模型43-47
• 3.2.1 P-图模型的非线性改进43-44
• 3.2.2 改进模型的处理44-45
• 3.2.3 模型求解45
• 3.2.4 求解结果与灵敏度分析45-47
• 3.3 考虑多目标的P-图模型47-50
• 3.3.1 第二目标设定47-48
• 3.3.2 多目标问题求解48-49
• 3.3.3 结果分析49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 P-图理论辅助选择炼厂气资源回收过程工艺参数51-59
• 4.1 问题定义与假设51-52
• 4.2 轻烃回收工艺中待优化参数的选择52-53
• 4.3 构建用于工艺参数选择的P-图模型53-56
• 4.3.1 工艺相关数据的估算54-55
• 4.3.2 基础P-图模型55-56
• 4.3.3 逻辑约束56
• 4.4 模型求解与结果分析56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 附录A 符号说明65-66
• 附录B 利用线性规划工具求解P-图模型66-67
• 附录C P图理论MSG算法实现67-68
• 附录D P图理论SSG算法实现68-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况69-70
• 致谢70-71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 许晓慧;孙娜;赵立新;;基于P-图理论的组合算法合成分离过程严格超结构[J];计算机与应用化学;2014年12期

2 赵志强;;化工工艺过程开发及工艺路线选择[J];黑龙江科技信息;2012年06期

3 李英;周集体;姚平经;;水夹点分析与数学规划法相结合的废水处理网络优化设计[J];大连理工大学学报;2010年01期

4 成思危;杨友麒;;过程系统工程的昨天、今天和明天[J];天津大学学报;2007年03期

5 杨友麒;化工过程模拟[J];化工进展;1996年03期

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本文编号：900406