化工分析与优化作为一种过程优化方法，是要在化工系统的特定约束要求下，分析设备参数以及工艺变量与经济效益与环保等之间的关系，找出使化工系统的优化目标达到最优的设备参数和工艺变量。

现在化工分析与优化方法已经成功应用在整个化工生产的全过程中，包括化工设计、过程综合、生产调度等领域，带来了巨大的经济效益，成为近年来化工领域以及过程系统过程领域的研究热点。

化工过程与最优化方法的结合，增加了最优化模型的规模，对优化计算提出了巨大的挑战，但是在客观上促进了数值计算方法的发展，同时数值计算的发展也化工分析与优化计算有促进作用。

通过对化工流程进行模拟、流程分析以及优化计算，可以较为准确的得到化工系统最优结果与设备参数和工艺变量之间的关系，对化工过程设计以及过程控制等都有较为重要的指导作用。

一、背景

传统化工生产的规模较小，对设备性能以及工艺参数的要求也较低，因此传统上对化工流程进行的优化大多是以单个单元模块为优化单元进行的，这样的优化计算模型简单，计算方便。

但是传统的化工生产已经不能满足日益增长的经济社会发展，化工生产越来越向着规模大型化发展，依赖将单元操作作为单元的传统化学工程科学已经不能适应现代化大型化工装置的设计、控制和管理优化的要求，工业技术逐步从以单元模块为单位向着完整系统工程的方向发展。

化工生产的主题渐渐由处理单元模块模拟、放大的问题转变为解决整个化工系统的设计、模拟、优化以及控制的问题。自20世纪80年代以来,计算机技术、信息技术、系统工程等相关技术高速进步和发展。在这样的背景下我国产生了一门关于化工系统的工程学科,该专业就是将化工系统工程学的基础理论与方法广泛地运用到了化工生产过程中各个领域。这个学科以系统工程为基本，将化工和运筹学相结合，通常也会涉及过程控制或者计算机科学的知识。

化工系统工程是以确定化工系统在规划、设计、控制和管理方面的最优策略为基本内容，上述基本工作是将化工系统作为整体对象，根据系统中各组成单元的特性及他们之间的相互联系来完成的。

化工系统的优化,往往都是从一个整体的系统上对其进行细致的研究和考察,以此为基础来验证系统在技术上的合理性和系统运行的可靠性,探寻一种能够使得系统的性能最终达到优化的操作条件。

为了真正实现以上的目标,需要借助于数学手段的应用来研究和分析化工系统中各个单元的设备参数以及运行操作参数对整个系统的性能和特征的影响,即以建立数学模型以及求解数学模型的方式，来计算化工系统的整体特性。

数学模型的求解需要采用特定的优化算法来进行，自系统工程发展以来，大量的优化算法应运而生，包括确定性优化算法，如牛顿法、拟牛顿法、序贯线性规划法和序列二次规划法等，当前的化工流程模拟大都采用如上确定性算法，其他优化算法如粒子群算法、遗传算法等都属于随机性搜索方法，这类方法大都适合模型难以确定的情况。

近年来，随着软件开发技术的快速发展，人们开始采用计算机仿真技术来对化工生产过程进行模拟计算。自年美国AI.W.Kellogg公司研制成世界上第一个公用化工流程模拟软件—FlexibleFlowsheeting以来，相关大学以及公司都纷纷开始研制自己的模拟软件。

流程模拟是化工优化的基础，化工优化是流程模拟的更高。层次的发展形式，二者相辅相成，不同的流程模拟系统结合不同的优化策略，产生了不同类型的系统优化策略。

二、相关概述

1.化工分析与优化概述

化工分析与优化的重要性。当前化工生产规模日趋大型化，自动化程度越来越高，并且化工生产需要在环保和有效利用能源的条件下追求更高的经济效益，对大规模化工模拟软件的流程分析和过程优化计算提出迫切的要求。

随着计算机技术的发展，化工流程分析和过程优化技术逐渐得到了人们的重视，成为人们在流程设计、参数优化以及技术改造中的有效工具。在设计设备或者装置时，需要考虑设备投资和操作费用与生产利润之间的关系，需要平衡设备投资费用和操作费用与生产利润，尽量做到以最少的成本获得最大的利润。

运行过程中的化工厂设备以及装置，需要通过定性和定量分析来确定该装置单元或者整个系统中某些目标函数（如关键组分的流量等）达到工艺需求时的最佳生产条件。

前一种优化问题为设计参数最优化问题，而后者为操作参数最优化问题。另一类化工最优化问题即结构最优化问题，这类最优化问题的目的是为了确定何种工艺路线或流程结构最为合理，能够达到预期的生产目的以及生产要求。

并且近年来，科学技术与工程技术高速发展，绿色化工理念对化工行业的影响持续加深，化工节能与清洁生产对化工生产的影响尤为突出。以绿色、环保、可持续发展为导向的化工工艺优化日趋得到国家和行业重视，这种化工工艺优化不仅可以节能降耗，而且能够实现化工生产与环境的和谐发展。

化工优化贯穿于整个化工生产过程，其主要有以下应用：工厂设计以及管理类优化：包括工厂选址、装置设计、储运以及运输选择，设备维护以及更换、原料选择、人员调整等）装置以及设备的操作和控制优化；）装置设计的优化：包括设备选型、配管等设计优化；）环境保护和节能降耗。

三、流程模拟技术流程分析与优化

流程模拟技术流程分析与优化是以流程模拟为基础的，流程模拟的准确性直接影响到有流程分析与优化计算的准确性与计算速度。流程系统模拟主要可以分为两种类型。

稳态流程模拟和一种动态流程模拟，稳态流程模拟这一技术概念是工业流程系统模拟中最基本的一种技术手段，动态流程模拟是以稳态流程模拟概念为主要理论基础而不断发展起来的。

两种模拟手段的主要区别即为工艺条件是否时间而改变：稳态模拟中，所有工艺条件均不随时间而改变；而动态模拟因为工艺条件会随时间改变，故通常被用来预测系统中出现干扰条件是，各工艺参数如何改变，在化工生产中通常被用来探讨控制方案及装置的开停车方案。

动态模拟的计算较稳态模拟更加复杂，需要大量的微分方程与代数方程，故其对应的流程优化相对也较为复杂。当前大型通用化工模拟软件（如AspenPlus、Hysys等）的稳态模拟都比较成熟。

对化工流程进行稳态模拟，就是通过求解一组数学模型，从而得到流程的各种参数。这个系统对应的数学模型是由单元模块方程、流程连接方程、设计规定方程、物性方程、衡算方程等组成的，是一组高度非线性方程，解算这组方程的不同方法，就形成了不同的模拟方法，共有三种方法：序贯模块法、联立模块法和联立方程法。

序贯模块法是从单元操作的模拟逐渐发展起来的，也是应用最广泛的一种方法。将换热、精馏等单元操作的数学模型开发出来，结合各个模块对应的解算方法，整合成不同的独立的单元模块，在计算机中对单个模块进行模拟计算：

根据单元模块的入口流股的物流变量以及其已知的设备参数，从而可以计算得到出口物流的数据以及单元模块的工况数据。全流程的稳态模拟与单元模块的计算类似，需要对模拟的工艺流程进行分析，明确各个单元模块与各流股之间的连接关系，确定流程中存在的撕裂流股，以确定存在循环的单元模块组合。

循环的单元模块组合无法直接进行逐个模块计算，因为撕裂流股对应的后续单元模块尚未计算，所以造成撕裂流股没有输出信息。因此，化工系统中存在循环的单元模块组合时，首先确定撕裂流股位置、划分流程区段以及流程的计算顺序。

序贯模块法需要的计算机内存较小，易于通用化，目前大部分商品化的模拟软件都是基于序贯模块法的。但对存在多个循环流股的复杂流程，需要多层嵌套迭代，使收敛过程减慢。数据驱动方法主要是以数据库为核心，面向各种流程模拟目标，驱动各类算法和物性化的程序，模拟计算填充数据库，达到一定精度后得到模拟结果。

结语

人工智能参入法是借助人工智能的方式，以专家参与的形式，利用专家的知识储备辅助进行流程模拟，是更为高级的模拟方式，但是通用化较为困难。化工流程模拟系统的优化以先进的化工流程模拟技术为理论基础而发展起来的一种方法，不同的化工流程模拟技术可以综合运用不同的最优化方法，从而制定出相应于各种化工流程优化策略。

免责声明：文章内容如涉及作品内容、版权图片或其它问题，请在30日内与本号作者联系，如反映情况属实我们将第一时间删除责任文章。文章只提供参考并不构成任何投资及应用建议。