化工過程分析與合成-第8章分離塔序列的綜合2

1、 原料的精制，原料的精制， 產(chǎn)品的提純，產(chǎn)品濃縮產(chǎn)品的提純，產(chǎn)品濃縮 分離是化工生產(chǎn)過程中的重要組成部分 分離在裝置的投資及操作費(fèi)中占相當(dāng)大的比例 選擇最合理的分離方法，確定最優(yōu)的分離序列，選擇最合理的分離方法，確定最優(yōu)的分離序列， 以降低其各項(xiàng)費(fèi)用以降低其各項(xiàng)費(fèi)用 蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收、吸附、結(jié)晶、蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收、吸附、結(jié)晶、 沉淀、絡(luò)合、反應(yīng)、膜分離、電泳沉淀、絡(luò)合、反應(yīng)、膜分離、電泳和和層析層析 等等 萃取精餾、反應(yīng)精餾、膜吸收、結(jié)晶萃取萃取精餾、反應(yīng)精餾、膜吸收、結(jié)晶萃取 其中：其中：精餾過程較為成熟，使用最廣精餾過程較為成熟，使用最廣 始于始于2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代，

2、許多算法均按計(jì)算機(jī)年代，許多算法均按計(jì)算機(jī) 程序開發(fā)的要求進(jìn)行程序開發(fā)的要求進(jìn)行 HendyHendy等等(1972)(1972)采用最優(yōu)化算法的動態(tài)規(guī)劃法采用最優(yōu)化算法的動態(tài)規(guī)劃法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的規(guī)則具有很大的實(shí)用價(jià)值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的規(guī)則具有很大的實(shí)用價(jià)值 RuddRudd等（等（19731973）、）、Nishida(1981Nishida(1981) )提出了直觀試探提出了直觀試探 法；法； Nasdgir(1983Nasdgir(1983) )提出了有序試探法；提出了有序試探法； Stephanopoulos (1976Stephanopoulos (1976) )提出的調(diào)優(yōu)綜合法，提出

3、的調(diào)優(yōu)綜合法， RathorRathor等（等（19741974）提出的帶有能量集成的多元分）提出的帶有能量集成的多元分 離系統(tǒng)綜合的方法離系統(tǒng)綜合的方法 試探法中，試探規(guī)則多是定性的規(guī)則，而試探法中，試探規(guī)則多是定性的規(guī)則，而 且規(guī)則數(shù)目較多，讓初學(xué)者和實(shí)際工作經(jīng)且規(guī)則數(shù)目較多，讓初學(xué)者和實(shí)際工作經(jīng) 驗(yàn)不足者無所適從驗(yàn)不足者無所適從 NasdgirNasdgir提出分離系數(shù)，使部分試探規(guī)則定提出分離系數(shù)，使部分試探規(guī)則定 量化量化 北京化工大學(xué)施寶昌等（北京化工大學(xué)施寶昌等（19971997）提出了相）提出了相 對費(fèi)用函數(shù)對費(fèi)用函數(shù)F F，使試探規(guī)則定量化的精度得使試探規(guī)則定量化的精度得 以

4、提高以提高 分離序列的綜合是一個(gè)兩層次的問題，在分離序列的綜合是一個(gè)兩層次的問題，在 塔系最佳化的同時(shí)，每個(gè)塔的設(shè)計(jì)也要最塔系最佳化的同時(shí)，每個(gè)塔的設(shè)計(jì)也要最 佳化佳化 一是找出最優(yōu)的分離序列和每一個(gè)分離器一是找出最優(yōu)的分離序列和每一個(gè)分離器 的性能；的性能； 二是對每個(gè)分離器找出其最優(yōu)的設(shè)計(jì)變量二是對每個(gè)分離器找出其最優(yōu)的設(shè)計(jì)變量 值。值。 i ii XI xCMin , 8.2.1 簡單塔（簡單塔（Simple Column） (1) 一個(gè)進(jìn)料分離為兩個(gè)產(chǎn)品 (2) 每一個(gè)組分只出現(xiàn)在一個(gè)產(chǎn)品中，即銳分 離（Sharp Separation） (3) 塔底采用再沸器，塔頂采用全凝器 (a)

5、 直接序列（順式流程，Direct Sequence），輕組分在塔 頂逐個(gè)引出。 (b) 非直接序列(Indirect Sequence) 當(dāng)所需分離的混合物包含較多組分時(shí)，則可能的分離序 列數(shù)會非常之大 B C A A B C B C A B A B C C B A （a）(b) 依據(jù)是與分離方法有關(guān)的物性值依據(jù)是與分離方法有關(guān)的物性值 組分的沸點(diǎn)（蒸餾）、溶解度（萃?。⒔M分的沸點(diǎn)（蒸餾）、溶解度（萃取）、 固體粒度（篩分）、組分揮發(fā)度（蒸餾、固體粒度（篩分）、組分揮發(fā)度（蒸餾、 萃?。┹腿。?或或 （ABCDABCD） D C B A D AC D C B A D C B D C B (

6、a) CD B A D C B A D C B C B (b) AC D B D C B A B A D C (c) B A CDD C B A C B A C B (d) 用 S 種分離方法（簡單銳分離），把含有 R 個(gè)組分的 混合物分離成R個(gè)純組分的產(chǎn)品，分離序列數(shù)S: A CBD C B A C B A B A (e) 1 1 )!1(! ! 12 R j jRjR RR R SSS 分離多組分進(jìn)料時(shí)，產(chǎn)生一些子群，也稱 相鄰的流股，其為各分離器的進(jìn)料或最終 產(chǎn)品 總的不同的分離子問題數(shù)（包括進(jìn)料）G可 由算術(shù)級數(shù)求和得到 R j jG 1 2 1)R(R C B A C B A D C

7、 B B A C B D C A C C D 第一個(gè)分離 器的進(jìn)料 后面分離器 的進(jìn)料 產(chǎn)品 表表8-1 8-1 對于對于4 4組分進(jìn)料的子群組分進(jìn)料的子群 每個(gè)分離子問題與一個(gè)實(shí)際分離單元相對應(yīng)，每個(gè)分離子問題與一個(gè)實(shí)際分離單元相對應(yīng)， 分離序列是分離子問題的不同組合形式分離序列是分離子問題的不同組合形式 對于對于R個(gè)組分的分離問題，所含的分離子問題個(gè)組分的分離問題，所含的分離子問題 1 1 6 1)1)(R-R(R )( R j jRjU 表表8-2 4組分進(jìn)料的分離子問題組分進(jìn)料的分離子問題 對于第一個(gè)分離器 的分離子問題 對于后面分離器的 分離子問題 D C B A D C B A C

8、 B A C B A D C B D C B B A C B D C D C B A 表表8-3 對于采用一種簡單分離方式，分離器、對于采用一種簡單分離方式，分離器、 分離序列、子群和分離子問題的數(shù)目分離序列、子群和分離子問題的數(shù)目 組組分分?jǐn)?shù)數(shù) R 在在一一序序列列中中 的的分分離離器器數(shù)數(shù) 序序列列數(shù)數(shù) S 子子群群數(shù)數(shù) G 分分離離子子問問題題數(shù)數(shù) U 21131 32264 4351010 54141520 65422135 761322856 874293684 981,43045120 1094,86255165 111016,79666220 待分離組分?jǐn)?shù)R增大時(shí)，子群數(shù)G和分離

9、子問題 數(shù)U也隨之增大，而序列數(shù)S驟增 假如采用的分離方法不只是一種，則上述S、G、 U值將增加的更快 所以多組分分離序列的綜合面臨著要解決很大數(shù)所以多組分分離序列的綜合面臨著要解決很大數(shù) 目的組合問題目的組合問題 隨R的增加，對分離序列數(shù)S和分離子問題 數(shù)U： 4lim 1 R R R S S 1lim 1 R R R U U 有時(shí)目標(biāo)產(chǎn)物是混合物，而不是純組分 如果目標(biāo)產(chǎn)物組的組分在進(jìn)料流組分順序 表中是相鄰組分，則可把產(chǎn)物組數(shù)作為組 分?jǐn)?shù) 如果目標(biāo)產(chǎn)物組中的組分不是相鄰組分， 則要根據(jù)具體情況而定 D C B A B A D C 圖圖8-3 把（ABCD）分離成（AB）和（CD） D C

10、 B A A D C B B D C C D D B 圖圖8-4 把（ABCD）分離成（A）、（C）、（BD）的分離序列 /分離序列綜合，需要不斷進(jìn)行比較，選擇最 優(yōu)的分離子問題構(gòu)成分離序列 /分離序列中各單元設(shè)備在最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)下的 年度費(fèi)用（設(shè)備折舊費(fèi)+操作費(fèi)）可以作為判 別指標(biāo) /易分離系數(shù)（CES）和分離難度系數(shù)（CD S），都可以用來作為判別分離子問題的優(yōu)化 指標(biāo) 數(shù)學(xué)規(guī)劃法數(shù)學(xué)規(guī)劃法，探試法探試法和調(diào)優(yōu)法調(diào)優(yōu)法 數(shù)學(xué)規(guī)劃法和探試法適用于無初始方案下的分 離序列綜合 探試法得到的分離序列有時(shí)是局部最優(yōu)解或近 優(yōu)解。其中大多數(shù)必須與調(diào)優(yōu)法結(jié)合，派生一 些方法，如探試調(diào)優(yōu)法 調(diào)優(yōu)法只適用于

11、有初始方案下的綜合問題。初 始方案的產(chǎn)生可依賴于探試法或現(xiàn)有生產(chǎn)流程 調(diào)優(yōu)法更適于對老廠技術(shù)改造和挖潛革新 最基本也是最原始的最優(yōu)化方法是窮舉法 這種方法耗時(shí)費(fèi)力，效率最低，當(dāng)組分?jǐn)?shù) 較大時(shí)，可行方案極多，計(jì)算工作量太大， 致使無法實(shí)施 除動態(tài)規(guī)劃法以外,常用的數(shù)學(xué)規(guī)劃法還有分分 枝界限法、有序分枝界限搜索法和有序搜索法枝界限法、有序分枝界限搜索法和有序搜索法 等 動態(tài)規(guī)劃法需要檢驗(yàn)全部分離子問題，而分枝 界限法不必搜索全部分離子問題便可找到最優(yōu) 分離序列，從而使搜索空間進(jìn)一步縮小。 有序分枝搜索法與分枝界限法十分相似，搜索 空間也是由部分分離子問題構(gòu)成。不同點(diǎn)在于 某些地方做了一些簡化。有序

12、搜索法利用探試 費(fèi)用函數(shù)預(yù)測完整分離序列的費(fèi)用下限，通過 比較后予以取舍，進(jìn)一步縮小了搜索空間 所謂探試法實(shí)際上就是經(jīng)驗(yàn)法 由于綜合分離序列問題是一個(gè)兩層次 決策問題，求解復(fù)雜。故可以使用幾 個(gè)簡單的、但帶有普遍性的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 產(chǎn)生一些接近最優(yōu)的序列，然后再對 它們進(jìn)行仔細(xì)的評價(jià)以確定最終的分 離序列 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可以分為四大類經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可以分為四大類 關(guān)于分離方法的規(guī)則（M類規(guī)則）。 主要是對某一特定的大量任務(wù)，確定較好的分離 方法 關(guān)于設(shè)計(jì)方面的規(guī)則（D類規(guī)則）。 決定最好采用那些具有某個(gè)特定性質(zhì)的分離序列 與組分性質(zhì)有關(guān)的規(guī)則（S類規(guī)則）。 根據(jù)欲分離組分性質(zhì)上的差異而提出的規(guī)則 與組成和經(jīng)濟(jì)性

13、有關(guān)的規(guī)則（C類規(guī)則）。 表示了進(jìn)料組成及產(chǎn)品組成對分離費(fèi)用的影響 在所有分離方法中，優(yōu)先采用使用能量分在所有分離方法中，優(yōu)先采用使用能量分 離劑的方法（例如常規(guī)精餾方法）。其次離劑的方法（例如常規(guī)精餾方法）。其次 才考慮采用質(zhì)量分離劑的方法（例如萃取才考慮采用質(zhì)量分離劑的方法（例如萃取 精餾、液精餾、液- -液萃取的方法）液萃取的方法） 若必須采用質(zhì)量分離劑方法時(shí)，則在使用若必須采用質(zhì)量分離劑方法時(shí)，則在使用 質(zhì)量分離劑的塔后應(yīng)馬上將這個(gè)質(zhì)量分離質(zhì)量分離劑的塔后應(yīng)馬上將這個(gè)質(zhì)量分離 劑分離出去，而且不準(zhǔn)用質(zhì)量分離劑的方劑分離出去，而且不準(zhǔn)用質(zhì)量分離劑的方 法來分離另一個(gè)質(zhì)量分離劑。法來分離另

14、一個(gè)質(zhì)量分離劑。 避免溫度和壓力過于偏離環(huán)境條件。如果 必須偏離，也寧可向高溫或高壓方向偏離， 而盡量不向低溫、低壓方向偏離。即盡可 能避免采用真空精餾及制冷操作。 如果不得不采用真空蒸餾，可以考慮用適 當(dāng)溶劑的液-液萃取來代替。 如果需要冷凍（如分離具有高揮發(fā)度的低 沸物，產(chǎn)品從塔頂采出時(shí)），可以考慮吸 收等便宜些的替代方案。 產(chǎn)品集合中元素最少的分離序列最有利 當(dāng)產(chǎn)品包括多個(gè)多元產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇能 產(chǎn)生最少產(chǎn)品集合的流程。因?yàn)楫a(chǎn)品集合 越少，分離序列中分離器的數(shù)目也越少， 因此總費(fèi)用也可能較低 為了避免后繼塔系設(shè)備的腐蝕及安全為了避免后繼塔系設(shè)備的腐蝕及安全 操作，首先應(yīng)移除腐蝕性和危險(xiǎn)性

15、的操作，首先應(yīng)移除腐蝕性和危險(xiǎn)性的 組分組分 8.4.5 8.4.5 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則經(jīng)驗(yàn)規(guī)則S2S2 應(yīng)把接近1的分割放在分離序列的最后面， 即要在沒有非關(guān)鍵組分存在下分離這一對 關(guān)鍵組分 首先移除含量最多的組分 首先分出了含量多的組分，就可以避免這 個(gè)組分在后繼塔系的多次蒸發(fā)、冷凝，減 少了后繼塔系的負(fù)荷 等摩爾分割最為有利等摩爾分割最為有利 當(dāng)塔頂餾出物摩爾數(shù)和塔釜產(chǎn)品的摩爾數(shù)當(dāng)塔頂餾出物摩爾數(shù)和塔釜產(chǎn)品的摩爾數(shù) 相同時(shí)，精餾段的回流比和提餾段的蒸發(fā)相同時(shí)，精餾段的回流比和提餾段的蒸發(fā) 比可以得到較好的平衡，因此費(fèi)用可能最比可以得到較好的平衡，因此費(fèi)用可能最 低。低。 若塔頂餾出物的摩爾數(shù)遠(yuǎn)小于

16、塔釜產(chǎn)品的若塔頂餾出物的摩爾數(shù)遠(yuǎn)小于塔釜產(chǎn)品的 摩爾數(shù)時(shí)，精餾段的操作線要比提餾段的摩爾數(shù)時(shí)，精餾段的操作線要比提餾段的 操作線更接近對角線，精餾段的有效能損操作線更接近對角線，精餾段的有效能損 失會很大。失會很大。 反之，若塔釜產(chǎn)品的摩爾數(shù)遠(yuǎn)小于塔頂餾反之，若塔釜產(chǎn)品的摩爾數(shù)遠(yuǎn)小于塔頂餾 出物的摩爾數(shù)時(shí)，提餾段的有效能損失會出物的摩爾數(shù)時(shí)，提餾段的有效能損失會 很大很大 上述這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則在實(shí)際應(yīng)用中常?；ハ嗌鲜鲞@些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則在實(shí)際應(yīng)用中常?；ハ?沖突。根據(jù)某一理由該用某一型式的分離沖突。根據(jù)某一理由該用某一型式的分離 器和分離序列，而根據(jù)另一理由又該用另器和分離序列，而根據(jù)另一理由又該用另 一

17、型式的分離器和分離序列一型式的分離器和分離序列 上述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的真正價(jià)值在于減少需要評上述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的真正價(jià)值在于減少需要評 比的不同分離序列的數(shù)目，刪去大量與上比的不同分離序列的數(shù)目，刪去大量與上 述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則根本矛盾的分離序列述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則根本矛盾的分離序列 1997年北京化工大學(xué)施寶昌等提出 該方法是在有序探試法的基礎(chǔ)上，用非線 性函數(shù)F代替了線性函數(shù)分離容易度系數(shù)C ES。 使用“通用精餾模擬軟件包”，經(jīng)過大量 的模擬計(jì)算和曲線擬合，得到相對費(fèi)用函 數(shù)F 從理論上說，動態(tài)規(guī)劃的計(jì)算結(jié)果可靠性 最高，但其計(jì)算工作量十分龐大，工作效 率很低； 分離度系數(shù)法計(jì)算過程簡單，但往往偏離 最佳效果； 相對費(fèi)用函數(shù)法，保持了計(jì)算過程簡單， 而結(jié)果相對比較精確的優(yōu)點(diǎn) 利用動態(tài)規(guī)劃法、探試法可以綜合出較好 的初始流程 在初始流程的基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步考慮塔序 列中每一個(gè)塔頂操作參數(shù)，尤其是操作壓 力的確定，以及換熱網(wǎng)絡(luò)的匹配，甚至部 分地考慮