K r i g i n g代理模型背景下P X氧化過程優(yōu)化研究

鄧宇龍（大連理工大學(xué)）

K r i g i n g代理模型背景下P X氧化過程優(yōu)化研究

鄧宇龍（大連理工大學(xué)）

目前，我國化工領(lǐng)域內(nèi)，最迫切需要解決的問題就是化工過程優(yōu)化。通常情況下，采用的都是多目標(biāo)優(yōu)化，這樣就會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化效率不高。本文研究了Kriging代理模型背景下PX氧化過程優(yōu)化，希望可以提供一些有價(jià)值的參考意見。

Kriging代理模型；PX氧化過程；多目標(biāo)優(yōu)化

在PTA的化工生產(chǎn)過程中，非常核心的步驟就是PX的氧化過程，它將會(huì)對(duì)PTA產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量等產(chǎn)生直接的影響；隨著時(shí)代的發(fā)展，目前的操作條件逐漸顯露出越來越多的弊端，那么為了將過程系統(tǒng)的生產(chǎn)潛力給最大限度的發(fā)揮出來，就需要對(duì)生產(chǎn)過程的操作條件進(jìn)行不斷的優(yōu)化。如果對(duì)PX氧化反應(yīng)過程模擬模型進(jìn)行直接的優(yōu)化，就會(huì)有很低的優(yōu)化效率，并且需要較長的時(shí)間。而Kriging代理模型能夠做到設(shè)計(jì)空間內(nèi)的全局近似，擬合精度比較的高。

一、PX氧化過程優(yōu)化模型

氧化反應(yīng)的主要副產(chǎn)物就是4-CBA，它也是一個(gè)重要的指標(biāo)來分析PTA成品。如果含有過多的4-CBA，那么產(chǎn)品只能有很低的品質(zhì)；因此，各個(gè)PTA生產(chǎn)廠商都在不斷的努力，采取一系列的措施，來對(duì)4-CBA的含量進(jìn)行控制。有很多的副反應(yīng)會(huì)發(fā)生在PX氧化生產(chǎn)對(duì)TA的過程之中，其中主要副反應(yīng)是醋酸和PX燃燒，碳氧化合物是副反應(yīng)的主要產(chǎn)物。在PX氧化生產(chǎn)中，非常重要的一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)就是醋酸和PX的燃燒損失。有專家將醋酸和PX燃燒損失轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)成本，然后在優(yōu)化過程中以生產(chǎn)成本來作為目標(biāo)指導(dǎo)。這種方法是有一定效果的，生產(chǎn)成本可以得到降低，但是這種多目標(biāo)的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)的優(yōu)化，會(huì)使得結(jié)果陷入局部最優(yōu)的情況。有專家用多目標(biāo)優(yōu)化問題來替代生產(chǎn)成本單目標(biāo)優(yōu)化問題，進(jìn)行求解；為了保證操作條件達(dá)到最優(yōu)，我們采用的多目標(biāo)優(yōu)化方法結(jié)合了精英選擇和個(gè)體遷移兩種。

本文在構(gòu)建PX氧化反應(yīng)流程仿真模型時(shí)，采用的是Aspen Plus，將4-CBA的含量、醋酸以及PX的燃燒損失等三個(gè)方面作為了優(yōu)化目標(biāo)。在依據(jù)相關(guān)的規(guī)定和要求來設(shè)置4-CBA含量的時(shí)候，對(duì)PX氧化反應(yīng)過程的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，希望可以保證選擇的工藝操作參數(shù)是最佳的。其中有9個(gè)參數(shù)可以得到調(diào)整，分別是鈷催化劑含量、錳催化劑含量、溴催化劑含量、A反應(yīng)器的溫度、B反應(yīng)器的溫度、C反應(yīng)器的溫度、A反應(yīng)器的停留時(shí)間、B反應(yīng)器的停留時(shí)間以及C反應(yīng)器的停留時(shí)間，我們將其分別命名為（Y1,%),(Y2,%)......(Y9,%)等等。

PX氧化過程多目標(biāo)優(yōu)化模型為：

Minimize x4-cba

Minimize mhac consume

Mininmize mpx consume

S.t.0.331 0%≤Y4-CBA≤0.402 0%

0.014%≤Y1≤0.023%

二、建立PX氧化過程的Kriging代理模型

基于Kriging代理模型建立PX氧化過程多目標(biāo)優(yōu)化模型，輸入變量一共有8個(gè)，要保證這8個(gè)輸入變量在相關(guān)的變化范圍之內(nèi)；首先，要獲取代理模型的建模樣本，主要依據(jù)流程仿真模型來進(jìn)行，將適當(dāng)數(shù)量的采樣點(diǎn)從設(shè)計(jì)空間中抽出來，方法有很多，本文采用的方法是拉丁超立方采樣，這樣就可以獲取采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出；在對(duì)Kriging代理模型進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，嚴(yán)格依據(jù)抽取的適量采樣點(diǎn)來進(jìn)行，將一階多項(xiàng)式的函數(shù)應(yīng)用到回歸模型之中，相關(guān)函數(shù)選擇的是GAUSS。進(jìn)行過模型的構(gòu)建之后，還需要對(duì)模型的精度進(jìn)行仔細(xì)的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法有很多，只需要將適當(dāng)數(shù)量的采樣點(diǎn)從設(shè)計(jì)空間抽出來即可，和上一個(gè)步驟存在著不同的就是，既需要將這些采樣點(diǎn)輸入到Kriging代理模型之中，還需要架構(gòu)這些采樣點(diǎn)輸入到流程仿真模型中，這樣既可以得到過程模型輸出，又可以得到Kriging代理模型輸出，對(duì)比過程模型輸出和Kriging代理模型輸出，對(duì)相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，可以得到這些結(jié)果，如下圖所示：

Kriging模型相對(duì)誤差表

三、基于Kriging代理模型的PX氧化反應(yīng)優(yōu)化結(jié)果

在對(duì)基于Kriging代理模型的PX氧化反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，采用的是改進(jìn)之后的多目標(biāo)粒子群算法，在參數(shù)選擇上，我們將種群規(guī)模設(shè)置為43，將外部存檔大小設(shè)置為43，進(jìn)化代數(shù)設(shè)置為153，加速系數(shù)設(shè)置為3，全局極值變異率設(shè)置為0.3，依據(jù)線性遞減來將原來的慣性因子進(jìn)行改變；經(jīng)過優(yōu)化之后，我們就可以得到一組Pareto前沿解，在流程仿真模型中，將代理模型優(yōu)化得到的40個(gè)前沿解依據(jù)相關(guān)的操作參數(shù)輸入進(jìn)去，這樣實(shí)際輸出就可以非常容易的得到。對(duì)比兩組輸出結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，代理模型在上述三個(gè)目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的平均相對(duì)誤差為 0.42、0.42、1.11.這三個(gè)目標(biāo)分別是醋酸損失燃燒、PX燃燒損失和4-CBA含量。通過這個(gè)試驗(yàn)我們可以了解到，Kriging代理模型在前沿解區(qū)域內(nèi)的建模精度依然有很高。我們通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果仔細(xì)的觀察，還可以發(fā)現(xiàn)，代理模型找到的最優(yōu)解基本上可以重合于流程仿真模型找到的最優(yōu)解，也就是說，在優(yōu)化過程的操作條件方面，是可以選擇Kriging模型的。

四、結(jié)語

本文從三個(gè)方面分析了Kriging代理模型背景下PX氧化過程優(yōu)化，希望可以提供一些有價(jià)值的參考意見。

[1]邢建良，蔣鵬飛，鐘偉民.PX氧化反應(yīng)過程4CBA濃度的實(shí)時(shí)優(yōu)化[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,2（3）：123-125.

[2]王曉鋒，席光.基于Kriging模型的翼型氣動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)，2005,2（5）：87-89.