Расчет оптимальной температуры при многокритериальной оптимизации процесса гидрирования полициклических ароматических углеводородов методом NSGA-II

Автор: Александрова А.А., Коледин С.Н.

Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu

Рубрика: Информатика, вычислительная техника и управление

Статья в выпуске: 1 т.24, 2024 года.

Бесплатный доступ

Введение. Многокритериальную оптимизацию с учетом противоречащих друг другу критериев задействуют для улучшения эффективности производства, сокращения затрат, повышения качества продукции и экологической безопасности процессов. В литературе описано использование многокритериальной оптимизации для производственных целей, в том числе при выборе условий реакции и улучшении технологических процессов. В представленной работе объект исследования - это процесс гидрирования полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) при получении высокоплотных топлив. Для определения оптимальных условий процесса решается задача многокритериальной оптимизации на основе кинетической модели. Критерии: максимизация выхода целевых нафтенов и конверсия исходного сырья. Цель работы - создание программы, реализующей алгоритм многокритериальной оптимизации NSGA-II (англ. non-dominated sorting genetic algorithm II). Благодаря этому на основе кинетической модели можно рассчитать оптимальную температуру для процесса гидрирования ПАУ.Материалы и методы. Для решения многокритериальной задачи оптимизации применялся генетический алгоритм NSGA-II. Используется также измененный отбор родителей и выживания в рамках фронта Парето. При необходимости разделения фронта решения выбирались по манхэттенскому расстоянию между ними. Программа реализована на языке Python.Результаты исследования. В системе обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений химической кинетики концентрацию обозначили yi, условное время контакта реакционной смеси с катализатором - τ. Систему решили для реакции гидрирования полициклических ароматических углеводородов. Расчеты показали, что при τ = 0 y1(0) = 0,025; y2(0) = 0,9; y6(0) = 0,067; y9(0) = 0,008; yi(0) = 0, i = 3-5,7,8,10-20; Q(0) = 1. В качестве управляемого параметра рассматривали температуру процесса по двум критериям оптимальности: максимизация выхода целевых нафтенов (f1) в конце реакции и максимизация конверсии исходного сырья (f2). Значения f1 были в границах 0,43-0,79; конверсии - 0,01-0,03; температуры - 200-300 К. Рост температуры сопровождается увеличением выхода целевых нафтенов и снижением конверсии исходного сырья. Каждое полученное решение - неулучшаемое. При моделировании процесса гидрирования ПАУ запустили алгоритм с размером популяции - 100, количеством поколений - 100. Разработана программа, реализующая алгоритм NSGA-II. Рассчитано оптимальное множество значений температуры реакции гидрирования ПАУ, позволяющее получить неулучшаемые значения критериев оптимальности - максимизации выхода целевых нафтенов и конверсии исходного сырья.Обсуждение и заключение. Алгоритм NSGA-II эффективен для решения задачи недоминирования и вывода оптимального решения для всех критериев. Будущие исследования следует посвятить подбору оптимальных параметров алгоритма, позволяющих увеличить скорость решения. Опираясь на полученные теоретические оптимальные условия реакции гидрирования ПАУ, можно реализовать процесс в промышленности

Еще

Гидрирование полициклических ароматических углеводородов, многокритериальная оптимизация технологического процесса, задача нелинейного программирования, фронт парето, метод nsga-ii

Короткий адрес: https://sciup.org/142240665

IDR: 142240665   |   УДК: 004.942,   |   DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-1-109-118

Optimal temperature calculation for multicriteria optimization of the hydrogenation of polycyclic aromatic hydrocarbons by NSGA-II method

Introduction. Multicriteria optimization, taking into account contradicting criteria, is used to improve production efficiency, reduce costs, improve product quality and environmental safety of processes. The literature describes the application of multicriteria optimization for production purposes, including the selection of reaction conditions and improvement of technological processes. In the presented paper, the object of research is the process of hydrogenation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in the production of high-density fuels. To determine the optimal conditions of the process, the problem of multicriteria optimization based on the kinetic model is solved. The criteria include maximizing the yield of targeted naphthenes and conversion of feedstock. The research objective is to create a program implementing the multicriteria optimization non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II). Due to this, it is possible to calculate the optimal temperature for the PAH hydrogenation process on the basis of the kinetic model.Materials and Methods. The NSGA-II genetic algorithm was used to solve the multicriteria optimization problem. Modified parental and survival selection within the Pareto front was also used. If it was necessary to divide the front, solutions based on the Manhattan distance between them were selected. The program was implemented in Python.Results. In the system of ordinary nonlinear differential equations of chemical kinetics, the concentration was designated yi, the conditional contact time of the reaction mixture with the catalyst - τ. The system was solved for the hydrogenation reaction of polycyclic aromatic hydrocarbons. The calculations showed that at τ = 0 y1(0) = 0.025; y2(0) = 0.9; y6(0) = 0.067; y9(0) = 0.008; yi(0) = 0, i = 3-5, 7, 8, 10-20; Q(0) = 1. The process temperature was considered as a control parameter according to two optimality criteria: maximizing the yield of target naphthenes (f1) at the end of the reaction, and maximizing the conversion of feedstock (f2). Values f1 were in the range of 0.43-0.79; conversion - 0.01-0.03; temperature - 200-300 K. The growth of temperature was accompanied by an increase in the yield of target naphthenes and a decrease in the conversion of feedstock. Each solution obtained was not an unimprovable one. When modeling the process of hydrogenation of PAH, an algorithm was launched with a population size of 100 and a number of generations of 100. A program implementing the NSGA-II algorithm was developed. The optimal set of values of the PAH hydrogenation reaction temperature was calculated, which made it possible to obtain unimprovable values of the optimality criteria - maximizing the yield of target naphthenes and conversion of feedstock.Discussion and Conclusion. The NSGA-II algorithm is effective for solving the problem of non-dominance, and deriving the optimal solution for all criteria. Future research should be devoted to the selection of optimal algorithm parameters to increase the speed of the solution. Based on the obtained theoretical optimal conditions of the PAH hydrogenation reaction, it is possible to implement the process in industry

Еще

Список литературы Расчет оптимальной температуры при многокритериальной оптимизации процесса гидрирования полициклических ароматических углеводородов методом NSGA-II

  • Ахметов А.Ф., Ахметов А.В., Загидуллин Ш.Г., Шайжанов Н.С. Гидропереработка тяжелой фракции ароматических углеводородов Сю+ на катализаторе никель на кизельгуре. Башкирский химический журнал. 2018;25(1):96-98. https://doi.org/10.17122/bci-2018-1-96-98 Akhmetov AF, Akhmetov AV, Zagidullin ShG, Shayzhanov NS. Hydrofinery Processing Heavy Fraction of Aromatic Hydrocarbons C10+ on Catalyzer Nickel on Kizelgur. Bashkir Chemical Journal. 2018;25(1):96-98. https://doi.org/10.17122/bci-2018-1-96-98
  • Ахметов А.Ф., Ахметов А.В., Шайжанов Н.С., Загидуллин Ш.Г. Гидропереработка остаточных фракций процесса пиролиза. Башкирский химический журнал. 2017;24(2):29-32. URL: https://bci.rusoil.net/files/slider/BCJ-2-2017.pdf (дата обращения: 07.11.2023). Akhmetov AF, Akhmetov AV, Shayzhanov NS, Zagidullin ShG. Hydrogenolysis of Residual Fractions Obtained by Pyrolysis Process. Bashkir Chemical Journal. 2017;24(2):29-32. URL: https://bci.rusoil.net/files/slider/BCJ-2-2017.pdf (accessed: 07.11.2023).
  • Шайжанов Н.С., Загидуллин Ш.Г. Ахметов А.В. Анализ активности катализаторов гидрирования в процессе получения высокоплотных реактивных топлив. Башкирский химический журнал. 2014;21(2):94-98. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-aktivnosti-katalizatorov-gidrirovaniya-v-protsesse-polucheniya-vysoko plotnyh-reaktivnyh-topliv/viewer (дата обращения: 07.11.2023). Shayzhanov NS, Zagidullin ShG, Akhmetov AV. Activity Analysis of Hydrogenation Catalysts in the Process of High-Density Jet Fuels Production. Bashkir Chemical Journal. 2014;21(2):94-98. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-aktivnosti-katalizatorov-gidrirovaniya-v-protsesse-polucheniya-vysokoplotnyh-reaktivnyh-topliv/viewer (accessed: 07.11.2023).
  • Koledina KF, Koledin SN, Karpenko AP, Gubaydullin IM, Vovdenko MK. Multi-Objective Optimization of Chemical Reaction Conditions Based on a Kinetic Model. Journal of Mathematical Chemistry. 2019;57(2):484-493. https://doi.org/10.1007/s10910-018-0960-z
  • Emmerich M, Deutz A. Multicriteria Optimization and Decision Making: Master Course. Leiden: Leiden University Publishing; 2014. 102 p. URL: https://liacs.leidenuniv.nl/~emmerichmtm/modapage/ § MC0ReaderEmmeirchDeutz2017.pdf (accessed: 17.11.2023).
  • Deb K, Mohan M, Mishra S. Towards a Quick Computation of Well-Spread Pareto-Optimal Solutions. In book: tns CM Fonseca, PJ Fleming, E Zitzler, L Thiele, K Deb (eds). Evolutionary Multi-Criterion Optimization. Berlin, I Heidelberg: Springer; 2003. P. 222-236. https://doi.org/10.1007/3-540-36970-8 16 &
  • Коледина К.Ф., Многокритериальная интервальная оптимизация химических реакций на основе кинетической модели. Математическое моделирование. 2022;34(8):97-109. https://doi.org/10.20948/mm-2022-08-06 Koledina KF. Multi-Criteria Interval Optimization of Conditions for Complex Chemical Reactions on the Basis of a Kinetic Model. Mathematical Models and Computer Simulations. 2022;34(8):97-109. https://doi.org/10.20948/mm-2022-08-06
  • Miernik K, W^glinska E, Danek T, Lesniak A. An Application of the NSGA-II Algorithm in Pareto Joint Inversion of 2D Magnetic and Gravity Data. Geology Geophysics & Environment. 2021;47(2):59-70. https://doi.org/10.7494/geol.2021.47.2.59
  • Martinez S, Perez E, Eguia P, Erkoreka A, Granada E. Model Calibration and Exergoeconomic Optimization with NSGA-II Applied to a Residential Cogeneration. Applied Thermal Engineering. 2020;169:114916. https://doi.org/10.1016/i.applthermaleng.2020.114916
  • Камшилова Ю.А. Семенкин Е.С. Сравнительный анализ эффективности многокритериальных эволюционных алгоритмов SPEA2 и NSGA-II. В: Тр. XVI Междунар. науч. конф., посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения». Ч. 2. Краноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева; 2012. С. 484. URL: https://disk.sibsau.ru/website/reshetnevsite/materials/2012 2.pdf (дата обращения: 17.11.2023). Kamshilova YuA, Semenkin ES. Comparative Analysis of Multiobjective Evolutionary Algorithms' SPEA2 and NSGA-II Efficiency. In: Proc. XVI Int. Sci. Conf. dedicated to the memory of the General Designer of rocket and space systems Academician MF Reshetnev "Reshetnev Readings". Part 2. Krasnoyarsk: Siberian State Aerospace University named after academician MF Reshetnev; 2012. P. 484. URL: https://disk.sibsau.ru/website/reshetnevsite/ materials/2012 2.pdf (accessed: 17.11.2023).
  • Circiu MS, Leon F. Comparative Study of Multiobjective Genetic Algorithms. Bulletin of the Polytechnic Institute of Iasi. 2010;56(60):1-13. URL: https://www.researchgate.net/publication/228845090 (accessed: 02.03.2024).
  • Koledina KF, Gubaidullin IM, Zagidullin ShG, Koledin SN, Sabirov DSh. Kinetic Regularities of Hydrogenation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons on Nickel Catalysts. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2023;97(10):2104-2110. https://doi.org/10.1134/s003602442309008x
  • Загидуллин Ш.Г., Коледина К.Ф. Математическое моделирование кинетики гидрирования полициклических ароматических углеводородов. Bulletin of BSU. 2021;26(3):664-669. https://doi.org/10.33184/ bulletin-bsu-2021.3.23 Zagidullin ShG, Koledina KF. Mathematical Modeling of the Kinetics of Hydration of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Bulletin of BSU. 2021;26(3):664-669. https://doi.org/10.33184/bulletin-bsu-2021.3.23
  • Bukhtoyarov SE, Emelichev VA. Stability Aspects of Multicriteria Integer Linear Programming Problems. Journal of Applied and Industrial Mathematics. 2019;13:22-29. https://doi.org/10.1134/S1990478919010034
  • Тань Лиго, Новикова С.В. Применение пошагового метода обучения для эволюционного алгоритма в задачах многокритериальной оптимизации. Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022; 14(3):114-124.
Еще