K r i g i n g代理模型背景下P X氧化过程优化研究

邓宇龙（大连理工大学）

K r i g i n g代理模型背景下P X氧化过程优化研究

邓宇龙（大连理工大学）

目前，我国化工领域内，最迫切需要解决的问题就是化工过程优化。通常情况下，采用的都是多目标优化，这样就会导致优化效率不高。本文研究了Kriging代理模型背景下PX氧化过程优化，希望可以提供一些有价值的参考意见。

Kriging代理模型；PX氧化过程；多目标优化

在PTA的化工生产过程中，非常核心的步骤就是PX的氧化过程，它将会对PTA产品的质量、产量等产生直接的影响；随着时代的发展，目前的操作条件逐渐显露出越来越多的弊端，那么为了将过程系统的生产潜力给最大限度的发挥出来，就需要对生产过程的操作条件进行不断的优化。如果对PX氧化反应过程模拟模型进行直接的优化，就会有很低的优化效率，并且需要较长的时间。而Kriging代理模型能够做到设计空间内的全局近似，拟合精度比较的高。

一、PX氧化过程优化模型

氧化反应的主要副产物就是4-CBA，它也是一个重要的指标来分析PTA成品。如果含有过多的4-CBA，那么产品只能有很低的品质；因此，各个PTA生产厂商都在不断的努力，采取一系列的措施，来对4-CBA的含量进行控制。有很多的副反应会发生在PX氧化生产对TA的过程之中，其中主要副反应是醋酸和PX燃烧，碳氧化合物是副反应的主要产物。在PX氧化生产中，非常重要的一个经济指标就是醋酸和PX的燃烧损失。有专家将醋酸和PX燃烧损失转化成生产成本，然后在优化过程中以生产成本来作为目标指导。这种方法是有一定效果的，生产成本可以得到降低，但是这种多目标的优化转化为单目标的优化，会使得结果陷入局部最优的情况。有专家用多目标优化问题来替代生产成本单目标优化问题，进行求解；为了保证操作条件达到最优，我们采用的多目标优化方法结合了精英选择和个体迁移两种。

本文在构建PX氧化反应流程仿真模型时，采用的是Aspen Plus，将4-CBA的含量、醋酸以及PX的燃烧损失等三个方面作为了优化目标。在依据相关的规定和要求来设置4-CBA含量的时候，对PX氧化反应过程的工艺参数进行了优化，希望可以保证选择的工艺操作参数是最佳的。其中有9个参数可以得到调整，分别是钴催化剂含量、锰催化剂含量、溴催化剂含量、A反应器的温度、B反应器的温度、C反应器的温度、A反应器的停留时间、B反应器的停留时间以及C反应器的停留时间，我们将其分别命名为（Y1,%),(Y2,%)......(Y9,%)等等。

PX氧化过程多目标优化模型为：

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氧化过程的Kriging代理模型

基于Kriging代理模型建立PX氧化过程多目标优化模型，输入变量一共有8个，要保证这8个输入变量在相关的变化范围之内；首先，要获取代理模型的建模样本，主要依据流程仿真模型来进行，将适当数量的采样点从设计空间中抽出来，方法有很多，本文采用的方法是拉丁超立方采样，这样就可以获取采样点对应的输出；在对Kriging代理模型进行构建时，严格依据抽取的适量采样点来进行，将一阶多项式的函数应用到回归模型之中，相关函数选择的是GAUSS。进行过模型的构建之后，还需要对模型的精度进行仔细的检验，检验方法有很多，只需要将适当数量的采样点从设计空间抽出来即可，和上一个步骤存在着不同的就是，既需要将这些采样点输入到Kriging代理模型之中，还需要架构这些采样点输入到流程仿真模型中，这样既可以得到过程模型输出，又可以得到Kriging代理模型输出，对比过程模型输出和Kriging代理模型输出，对相对误差进行计算，可以得到这些结果，如下图所示：

Kriging模型相对误差表

三、基于Kriging代理模型的PX氧化反应优化结果

在对基于Kriging代理模型的PX氧化反应进行优化时，采用的是改进之后的多目标粒子群算法，在参数选择上，我们将种群规模设置为43，将外部存档大小设置为43，进化代数设置为153，加速系数设置为3，全局极值变异率设置为0.3，依据线性递减来将原来的惯性因子进行改变；经过优化之后，我们就可以得到一组Pareto前沿解，在流程仿真模型中，将代理模型优化得到的40个前沿解依据相关的操作参数输入进去，这样实际输出就可以非常容易的得到。对比两组输出结果，我们可以发现，代理模型在上述三个目标优化结果的平均相对误差为 0.42、0.42、1.11.这三个目标分别是醋酸损失燃烧、PX燃烧损失和4-CBA含量。通过这个试验我们可以了解到，Kriging代理模型在前沿解区域内的建模精度依然有很高。我们通过对试验结果仔细的观察，还可以发现，代理模型找到的最优解基本上可以重合于流程仿真模型找到的最优解，也就是说，在优化过程的操作条件方面，是可以选择Kriging模型的。

四、结语

本文从三个方面分析了Kriging代理模型背景下PX氧化过程优化，希望可以提供一些有价值的参考意见。

[1]邢建良，蒋鹏飞，钟伟民.PX氧化反应过程4CBA浓度的实时优化[J].清华大学学报，2012,2（3）：123-125.

[2]王晓锋，席光.基于Kriging模型的翼型气动性能优化设计[J].航空学报，2005,2（5）：87-89.