K r i g i n g代理模型背景下P X氧化過程優化研究

鄧宇龍（大連理工大學）

K r i g i n g代理模型背景下P X氧化過程優化研究

鄧宇龍（大連理工大學）

目前，我國化工領域內，最迫切需要解決的問題就是化工過程優化。通常情況下，采用的都是多目標優化，這樣就會導致優化效率不高。本文研究了Kriging代理模型背景下PX氧化過程優化，希望可以提供一些有價值的參考意見。

Kriging代理模型；PX氧化過程；多目標優化

在PTA的化工生產過程中，非常核心的步驟就是PX的氧化過程，它將會對PTA產品的質量、產量等產生直接的影響；隨著時代的發展，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的生產潛力給最大限度的發揮出來，就需要對生產過程的操作條件進行不斷的優化。如果對PX氧化反應過程模擬模型進行直接的優化，就會有很低的優化效率，并且需要較長的時間。而Kriging代理模型能夠做到設計空間內的全局近似，擬合精度比較的高。

一、PX氧化過程優化模型

氧化反應的主要副產物就是4-CBA，它也是一個重要的指標來分析PTA成品。如果含有過多的4-CBA，那么產品只能有很低的品質；因此，各個PTA生產廠商都在不斷的努力，采取一系列的措施，來對4-CBA的含量進行控制。有很多的副反應會發生在PX氧化生產對TA的過程之中，其中主要副反應是醋酸和PX燃燒，碳氧化合物是副反應的主要產物。在PX氧化生產中，非常重要的一個經濟指標就是醋酸和PX的燃燒損失。有專家將醋酸和PX燃燒損失轉化成生產成本，然后在優化過程中以生產成本來作為目標指導。這種方法是有一定效果的，生產成本可以得到降低，但是這種多目標的優化轉化為單目標的優化，會使得結果陷入局部最優的情況。有專家用多目標優化問題來替代生產成本單目標優化問題，進行求解；為了保證操作條件達到最優，我們采用的多目標優化方法結合了精英選擇和個體遷移兩種。

本文在構建PX氧化反應流程仿真模型時，采用的是Aspen Plus，將4-CBA的含量、醋酸以及PX的燃燒損失等三個方面作為了優化目標。在依據相關的規定和要求來設置4-CBA含量的時候，對PX氧化反應過程的工藝參數進行了優化，希望可以保證選擇的工藝操作參數是最佳的。其中有9個參數可以得到調整，分別是鈷催化劑含量、錳催化劑含量、溴催化劑含量、A反應器的溫度、B反應器的溫度、C反應器的溫度、A反應器的停留時間、B反應器的停留時間以及C反應器的停留時間，我們將其分別命名為（Y1,%),(Y2,%)......(Y9,%)等等。

PX氧化過程多目標優化模型為：

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氧化過程多目標優化模型，輸入變量一共有8個，要保證這8個輸入變量在相關的變化范圍之內；首先，要獲取代理模型的建模樣本，主要依據流程仿真模型來進行，將適當數量的采樣點從設計空間中抽出來，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對應的輸出；在對Kriging代理模型進行構建時，嚴格依據抽取的適量采樣點來進行，將一階多項式的函數應用到回歸模型之中，相關函數選擇的是GAUSS。進行過模型的構建之后，還需要對模型的精度進行仔細的檢驗，檢驗方法有很多，只需要將適當數量的采樣點從設計空間抽出來即可，和上一個步驟存在著不同的就是，既需要將這些采樣點輸入到Kriging代理模型之中，還需要架構這些采樣點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，對比過程模型輸出和Kriging代理模型輸出，對相對誤差進行計算，可以得到這些結果，如下圖所示：

Kriging模型相對誤差表

三、基于Kriging代理模型的PX氧化反應優化結果

在對基于Kriging代理模型的PX氧化反應進行優化時，采用的是改進之后的多目標粒子群算法，在參數選擇上，我們將種群規模設置為43，將外部存檔大小設置為43，進化代數設置為153，加速系數設置為3，全局極值變異率設置為0.3，依據線性遞減來將原來的慣性因子進行改變；經過優化之后，我們就可以得到一組Pareto前沿解，在流程仿真模型中，將代理模型優化得到的40個前沿解依據相關的操作參數輸入進去，這樣實際輸出就可以非常容易的得到。對比兩組輸出結果，我們可以發現，代理模型在上述三個目標優化結果的平均相對誤差為 0.42、0.42、1.11.這三個目標分別是醋酸損失燃燒、PX燃燒損失和4-CBA含量。通過這個試驗我們可以了解到，Kriging代理模型在前沿解區域內的建模精度依然有很高。我們通過對試驗結果仔細的觀察，還可以發現，代理模型找到的最優解基本上可以重合于流程仿真模型找到的最優解，也就是說，在優化過程的操作條件方面，是可以選擇Kriging模型的。

四、結語

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

[1]邢建良，蔣鵬飛，鐘偉民.PX氧化反應過程4CBA濃度的實時優化[J].清華大學學報，2012,2（3）：123-125.

[2]王曉鋒，席光.基于Kriging模型的翼型氣動性能優化設計[J].航空學報，2005,2（5）：87-89.