基于0-1模型和遗传算法的模拟移动床非线性色谱过程优化研究
  • 【摘要】

    模拟移动床(Simulated Moving Bed,SMB)色谱技术广泛应用于石油化工、生物发酵、医药、食品等领域.由于模拟移动床分离过程机理复杂,影响分离效果的参数多且相互耦合,基于传统的实验和经验方法很难使其制备分离达最佳运行状态.因此借助计算机对SMB色谱过程进行建模和优化研究成为研究SMB色谱的主要手段.国内外学者关于SMB色谱过程优化研究大都基于对流-扩散偏微分方程的Wilson色谱理... 展开>>模拟移动床(Simulated Moving Bed,SMB)色谱技术广泛应用于石油化工、生物发酵、医药、食品等领域.由于模拟移动床分离过程机理复杂,影响分离效果的参数多且相互耦合,基于传统的实验和经验方法很难使其制备分离达最佳运行状态.因此借助计算机对SMB色谱过程进行建模和优化研究成为研究SMB色谱的主要手段.国内外学者关于SMB色谱过程优化研究大都基于对流-扩散偏微分方程的Wilson色谱理论框架,很难克服其基于偏微分方程带来的诸如理解困难、计算复杂耗时和缺失Markov特征等局限性.本实验室基于梁恒教授提出的非平衡热力学分离理论(NTST),综合考虑了色谱过程热力学和动力学因素,采用Lagrangian-Eulerian法描述,建立了一种基于SMB色谱分离实际物理过程的机理模型即0-1模型.研究表明:0-1模型不仅能正确反映SMB色谱过程,而且描述更直观,计算更简单,适用范围更广.基于0-1模型和遗传算法,本文建立了一种对SMB两组分分离非线性色谱过程的优化方法.通过0-1模型对SMB非线性色谱过程仿真,证实了0-1模型在描述SMB非线性色谱时的正确性和可靠性,数值模拟表明,0-1模型耗时为12s,文献中传统色谱模型耗时318s;基于0-1模型,在一定提取液提余液纯度要求下,用一般遗传算法对SMB非线性色谱过程进行初步优化,得到较大的吸附剂生产率和对应的较佳操作条件,分析优化过程出现的计算耗时长和算法收敛性不强原因,明确应从遗传算子性能和SMB自身实际两方面改进算法;针对一般遗传算法在应用中的不足,对遗传算法做如下改进:提高初始种群较优个体所占比例、改用基于排名的轮盘赌选择算子和非均匀变异算子、修定算法终止条件等.算法改进后运行,获得了给定SMB色谱装置的最大吸附剂生产率值和对应的最优操作条件,即进样流速、提取液流速、提余液流速、第IV区体积流速及切换时间.仿真结果表明:改进遗传算法优化运行时间由26.3h减为7.7h,仅为一般遗传算法的1/3,算法收敛速度明显加快,而且能基本稳定收敛于最优值.此外借助0-1模型还验证了改进遗传算法的稳定性和可靠性.本文提出的基于0-1模型的改进遗传算法,将有助于实现一种具有Markov特征的SMB色谱过程优化控制新方法. 收起<<

  • 【作者】

    李芳 

  • 【学科专业】

    生物医学工程

  • 【授予学位】

    硕士

  • 【授予单位】

    西安交通大学

  • 【导师姓名】

    梁恒

  • 【学位年度】

    2009

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    0-1模型%SMB非线性色谱过程%改进遗传算法%Lagrangian-Eulerian描述