最优化设计在化工设备设计中的应用

最优化设计在化工设备设计中的应用

潘晓瑜

天津天大天久科技股份有限公司 天津市 300102

摘要：化工产品的质量问题的好与坏与化工设备有着非常直接的关系，为了保证化工设备的最优化设计，在进行设计工作时一定要反复思考。人们在不断的研究中发现，最优化的设计对于提高化工设备应用方面有着非常显著的效果。本文将主要阐述如何将最优化设计在化工设备中进行应用。

关键词：最优化设计；化工设备；设计；应用

引言

最优化设计这一概念是在实践与探究中完成的，花费了近几十年的时间，它的主要原理是应用数学方法进行研究系统内的优化途径以及入如何节省经济成本，为公司提供一个科学、合理、省钱的解决方案。最优化方法的主要针对的对象一般为有组织的系统管理的相关问题及其生产经营的的活动。我们采用最优化方法的目的是有针对的主要研究的系统，选用一个最合理的方法使得各种资源的消耗降低到一定程度，提高系统的效益，达到优化系统的目的。随着实践研究表明，科学技术的进步以及生产的发展，最优化方法的产生已经成为现代科学管理的基础理论以及不可或缺的方法，被人们应用到各行各业，发挥着越来越重要的作用。

1. 最优化方法和最优化设计

最优化方法也被称为运筹学方法。最优化方法的使用，能为一个企业或是一个项目提供最优质参考的同时，也可以为其提供一个节省人力、物力资源的好办法。最优化设计的理论基础是以数学理论进行参考的应用表达形式。它可以在各类的生产活动以及经营管理中对产生的问题，采用一个最优质的解决办法进行统筹与规划。

从某种特定的观点和角度来看，最优化方法的目的就是在开展项目以及进行一项工作的过程中，根据现有的情况及数据对其在各个方面进行合理且不浪费的分配，提高工作过程中的效率问题，为一个企业创造最佳的财富收益。

最优化设计的根本目的，就是将设计达到最佳适合的条件。用来保证对生产的每个环节进行分析和检测，在技术现在的计算机软件和多元化的信息工程，取得最符合实际的最佳方案。换句话来说，最优化的设计就是跟随互联网、科学技术衍生出来的时代产品，利用多元化的技术和新型的设计手段，进行最优化的设计手段。一般来说最优化设计的表达方式，是以函数的形式表现出来的。也就是说最优化的设计方法可以满足条件的情况下给出一个最优的目标函数值。

如果从数学微积分的角度来看，约束的条件必须满足微积分的两阶连续导数，才能保证连续性的要求。由此看来，在函数的值符合是dZ/d=0时，根据题意所求的最佳解就是我们所说的最优化办法。

2. 最优化的设计应用

将各环节的生产作业进行最优化的处理就是我们进行最优化的目的。将最优化应用到化工产业中，既可以提高产品的质量问题，使其的体积和重量也达到最优化。也提高了整个企业的生产实力，帮助企业增加经济收益。

在我们进行最优化的设计中，首先会设定产品的最优值，用来帮助我们判断产品和流程的合理性。这是我们要注意的是最优值和数学极值之间的差异问题。在数学中，极值是难以达到的极限值，最优值指的是通过不同的方法进行比较，在分析后得到的最优的效果。

可以在最优化的设计与研究中，将设计的内容概括为以下几点：

首先，最优值的出现是最优化中的最关键点，设计人员通过将物理模型改成数学模型的过程中，可以通过改进的数学模型展开相关参数的计算，确定好计算中的变量，为设计工作的进行提供一项专门的约束条件。我们在进行一阶段的设计时，注意最优指标和设计变量之间的函数的关系，对于计算要加强准确程度。

其次，使用最优化的探究模型对数学模型进行深入的分析，计算出最优值在计算中所存在的问题，根据现在的理论依据，将问题加以解决，得出一个最优的结果。目前最优化的设计已经应用到许多的方面中，比如，航天工程，铁路运输，建筑工程等等方面。

3. 最优化设计在化工设备设计中的应用

3.1求导法

在进行化工设计中，如果设计的难度较低，则可以利用求导法来进行最优化的计算，以此来解决化工设备中所存在的问题，来促进后续工作的顺利完成。举例来说，在化工的生产过程中，一般时候我会用到圆柱形的薄壁化工储罐设备，在比较圆形罐的材料价格后，对设计提出一些要求，来降低材料的成本损耗。具体的计算过程可以将化工储罐的体积设定为W，化工储罐盖子的材料每平方米价格为β，储罐罐身材料每平方

米的价格为α，材料加工费用设置为γ，化工储罐的设计高度和直径

分别以L和D，则可以列出式子，计算最省钱的设计方案。具体过程便不再书写。

3.2用图解法计算化工设备的最优化设计

化工设备中出现一些简单的问题，可以通过简单的图解进行最优化的设计，单数形式的出现一般可以表示为最优化的化工设备，但是这时的最优化设计在数学中是无法解出的，所以我们会采用图解的方法进行两个设计的最优解。在对于化工设备的最优解中，虽然设计的变量两个以上，但是都可以转化为两个设计变量之间的问题。图解法正是用来解决此类问题的。我们可以通过内牙圆柱形的薄壁进行容器进行设计，采用图解法进行分析。一个圆柱的薄壁型容器，壁的厚度约为4mm以内，长度的固定值3m，以h表示，容器体积在4平方米以上，容器承受的内压可达到3.5MN/m2，容易内压以P1表示，材料强度应力[σ]，内部液体密度ρ1。本次设计需要对容器的重量通过计算得出容器直径和容器具体壁厚值，来确定最优化设计方案。

在求解中容器还存在以下约束要求如下：

1. 强度的要求

容器的内壁要求的应力可以分别表示为：σ1=P1D/2T，σ2=P1D/4T，σ3=0，而强度的约束则可以通过第三方进行计算，我们这里就不多说。

2. 其他的要求

其他的相关要求就是关于容器的厚度，来利用图解法进行计算出容器的容量达到最优的效果。

3.3拉格朗日乘子法

对于一些简单的最优化设计我们可以采用图解法和求导法。但是对于一些比较困难且约束性比较复杂的优化设计中，我们就可以采用拉格朗日乘子法。该方法的具体算法可以从以下了解一二。

将加入到目标函数里面的每一个约束方程分别乘以k1，k2，

k3，…，km，设最终费用为h，N=M+k1g1(x1)+k2g2(x2)+…+ kmgm(xm)。

在该公式中，L代表拉格朗日算子，公式中多次出现的k则是

拉格朗日的乘子。最终N值的获取可对变量x和乘子k进行控

制，将导数设置为0后，在利用公式间的关联求解，得出最优化的设计。

4. 总结

综上所述，最优化设计的最根本目的就是提高设备的效率，为企业节省成本。我们在上文中具体举例计算最优化设计的方法。但是进行最优化设计的方法非常复杂，且必须根据实际情况进行方法的选用和改进，以此达到化工设备中的最优化设计。

参考文献:

[1]曾石.化工设备设计课程中实例教学的应用[J].广州化工,2010,38(12):

282-283.

[2]高强,丁雪晶.化工设备设计计算中的几种误区[J].压力容器,2005,22(3):

52-53,21.

[3]陈章勇.化工设备设计中常见接管长度的计算方法[J].云南化工,2005,

32(3):37-38.

[4]高合龙,张波,张家强,等.浅谈化工设备设计中的几点注意[J].中国石油

和化工标准与质量,2011,31(10):266.

[5]吴世杰.压力容器优化设计分析[J].中国科技纵横,2012,(1):41-41.

[6]李树民.南京为先科技SO，<3>膜式磺化技术,成套装置及最优化设计

简介[C].2002表面活性剂技术经济文集,2002:438-440.