379 优化设计方法-变量

379 优化设计方法-变量

 背景

装置或过程的性能指标或优化目标通常受多个因素（几个甚至几十个变量参数）影响，优化的目的是确定这些变量取什么值时目标可达到最佳值。

优化过程中并不需要对各个影响目标的变量都进行处理，通常先对变量进行聚类分析，确定出有优化价值的变量。

变量分析方法

变量分析过程中有丙个关键，一是重要变量不能遗漏，二是从众多变量中选出有优化价值的变量。

变量梳理

以378篇中的开放型热泵气扫式膜蒸馏装置为例，其中的膜蒸馏组件如下图：

在装置类的优化设计中，需考虑的变量通常主要有三类：材料参数、结构参数和运行参数（结构参数包括材料微结构、部件结构、装置结构等，此处仅考虑部件结构）。

优化开放型热泵气扫式膜蒸馏装置的参数时（此处材料参数仅考虑膜材料，部件结构参数仅考虑膜蒸馏组件，运行参数仅考虑吹扫气和料液运行参数（实现优化时材料还包括热泵工质、加热器材料、冷却器材料、吹扫气成分、料液成分等；部件结构参数还包括加热器结构、冷却器结构等；运行参数还包括热泵工质运行参数、压缩机参数、料液泵参数、风机参数等）。

基于上述简化，装置进行参数优化时需考虑的参数如膜材料成分、膜平均孔径、膜孔径分布、膜孔弯曲因子、膜孔隙率等，结构参数如壳体内直径、膜管外直径、膜管壁厚、膜管长度、膜管根数、膜管排列、吹扫气进出口个数及尺寸形状、吹扫气进出口位置、吹气进出口切向角等；运行参数如吹扫气流量，吹扫气进出膜蒸馏组件温度、湿度，料液流量，料液进出膜蒸馏组件温度等。

变量分析

变量分析的主要目的是选出使目标达到最优的关键变量，典型方法如下。

环境参数或干扰参数可不纳入优化变量。如环境温度和湿度。

变化范围小的变量可不必纳入优化变量。如膜孔隙率，高分子膜通常在80%左右。

相关性强的变量可适当合并。如膜孔隙率和孔道弯曲因子有较强相关性，料液进出膜蒸馏组件温度和吹扫气进出膜蒸馏组件温度湿度共六个变量中只有三个是独立变量等。

基于优化目标与影响变量和敏感度分析，对优化目标影响不显著的变量可不纳入优化变量。如膜管直径等。

对优化目标单调影响的变量可不纳入优化变量。单调影响指两方面，一是各目标随某变量的变化曲线是单调的，二是各目标随某变量的变化趋势是单调的（均有利或均不利）。如膜孔直径增加时，装置节能倍率和产水速率均增加，且变化曲线是单调曲线，因此膜孔直径可不必优化，根据料液和膜材料特性以保证分离效率和使用寿命为原则取较大值即可；但料液温度升高时，装置节能倍率降低，而产水速率增加，因此料液温度需要优化。

综上，各类变量中，只有对目标影响显著、对目标的影响规律非单调且可调可控的变量才是需要优化的变量。

对变量进行优化时，变量参数的变化范围应在合理范围内。如料液温度范围通常在环境温度与料液及膜材料耐温极限之间，膜蒸馏组件结构参数应基于目前技术便于制作等。