18、第八章 分離塔序列的綜合

1、第8章 分離塔序列的綜合 分離操作在化工行業(yè)隨處可見。由于它的設(shè)備投資和操作費用均相對較高，而使得分離過程綜合成為人們普遍關(guān)心的問題。 分離序列綜合的目的是要找出節(jié)省分離序列綜合的目的是要找出節(jié)省開支的設(shè)備和工藝，提高經(jīng)濟效益開支的設(shè)備和工藝，提高經(jīng)濟效益。w 常用的分離方法包括蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收、吸附、結(jié)晶、沉淀、絡(luò)合、反應(yīng)、膜分離、電泳和層析等。w 精餾分離在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用時間長，研究成熟，也較為經(jīng)濟，因而精餾分離往往是首選的分離方法。8.1 精餾塔分離序列綜合概況w 分離序列的綜合始于20世紀(jì)70年代。w 1972年有人提出最優(yōu)化算法的動態(tài)規(guī)劃法。w 1973年有人提出直觀試探法，w

2、 1976年有人提出調(diào)優(yōu)綜合法，w 1983年有人提出了有序試探法，w 在試探法中，試探規(guī)則多數(shù)是定性的規(guī)則，而且規(guī)則數(shù)目較多，這讓初學(xué)者和實際工作經(jīng)驗不足者無所適從，因此又有人提出了易分離系數(shù)，使部分試探規(guī)則定量化w 1997年北京化工大學(xué)施寶昌提出了相對費用函數(shù)F，使試探規(guī)則定量化的精度得以提高。8.2 分離序列綜合的基本概念w 一 什么是分離序列的綜合什么是分離序列的綜合 指給定進料及進料狀況，通過系統(tǒng)化地分析和綜合找出能從進料中分離出所要求產(chǎn)品的過程并使總費用最小。 該工作包含兩方面的內(nèi)容： 1 找出最優(yōu)的分離順序（序列）找出最優(yōu)的分離順序（序列）和每個分離器的性能。 2 找出每個分離

3、器的最優(yōu)設(shè)計變量找出每個分離器的最優(yōu)設(shè)計變量，在每個分離器最優(yōu)的同時分離系統(tǒng)最優(yōu)。w 二 分離序列綜合問題舉例分離序列綜合問題舉例 例例1：用簡單塔分離某3組分組分的混合液，用精餾操作分離，且揮發(fā)度由大到小順序是A B C。這一問題的可能的分離順序有兩種。 第一種： 第二種： 由上例可見，分離序列的綜合內(nèi)容主要是要解決分離序列組合組合問題。 ABCABCBCABCABCBAw 三 分離序列組合數(shù)分離序列組合數(shù)S的計算的計算 設(shè)有R個組份個組份需分離成R個單一個單一產(chǎn)品，則分離序列組合總數(shù)SR用下式計算： 例：有4個組份的混和液待分離，則可能的分離序列組合總數(shù)S為： )!1( !)!1(2RRR

4、SR5!3!4!6)!14(!4)!14(24SABCDABCDBAABCDABCDBCDCDCDABCDABCDABCABABCDABCDBCDBCABCDABCDABCBC四 分離序列中分離序列中不同流股子群不同流股子群數(shù)數(shù)G的計算的計算ABCDABCDBCDCDw 四 分離序列中不同流股子群數(shù)分離序列中不同流股子群數(shù)G的計算的計算 流股子群（相鄰流股）是指分離序列中各流股子群（相鄰流股）是指分離序列中各分離器的進料或產(chǎn)品。分離器的進料或產(chǎn)品。 在某一分離問題中，可能構(gòu)成的流股子群數(shù)目很多，總的不同的子群數(shù)目則由下式計算： 例：當(dāng)R=4(組分?jǐn)?shù)）時則不同子群數(shù)目2)1(RRG102)14*

5、(4G五 不重樣分不重樣分離子問題數(shù)離子問題數(shù)U的計算的計算w 五 不重樣分離子問題數(shù)U的計算 分離子問題：每一個分離器的設(shè)計問題稱為一個分離子問題。 不重樣分離子問題：在眾多分離序列中構(gòu)成的分離子問題中相互不重復(fù)的子問題。 例：R=4 (組分?jǐn)?shù)） ，則6)1)(1(RRRU1065*3*4U6)1)(1(RRRU2)1(RRG)!1( !)!1(2RRRSR8.3 動態(tài)規(guī)劃法 在分離塔序列綜合的方法中，最基本也是最原始的最優(yōu)化方法是窮舉法窮舉法。 窮舉法窮舉法:比較比較每個可能的分離序列方案。 這種方法耗時費力，效率最低，當(dāng)組分當(dāng)組分?jǐn)?shù)較大數(shù)較大時，可行方案極多，計算工作量太大，致使無法實施

6、。但動態(tài)規(guī)劃法最可靠. 為了減少計算工作量，數(shù)學(xué)規(guī)劃法是較好的一個方法，動態(tài)規(guī)劃法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法的一種。w 例8-1 由丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷五個組分組成的輕烴混合物進料，其加料速度為907.2kmo1h，各組分的摩爾分率如下:w 若工藝要求所有產(chǎn)品均為純組分，試按動態(tài)規(guī)劃法綜合該分離序列。w 將本例所示的五組分混合物五組分混合物進料用簡單銳分離器進行分離，總共有14個不同的分離序列，20個不同的分離子問題.0.3953+0.9493=1.34461.198+0.2613=1.4593ABCABC四組分分離方案:ABCD組方案一: 0.4707+1.7168=2.1875ABCDA

7、BC DBC D四組分分離方案:ABCD組方案二: 1.4050+0.2613+0.5927=2.259ABCDABC DC DA B方案三: 0.9445+1.3446=2.2891ABCDEABC DEC DE五組分分離方案:方案一: 0.5715+3.5856=4.1571方案二: 1.6500+0.2613+2.4457 =4.35784 分離度系數(shù)有序試探法w 試探法實際上就是經(jīng)驗法試探法實際上就是經(jīng)驗法，它雖然沒有堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但在實際過程綜合應(yīng)用過程綜合應(yīng)用中具有不可忽視的潛力。w 由于綜合分離序列的搜索空間十分龐大綜合分離序列的搜索空間十分龐大，找出最優(yōu)分離序列十分困難。如果

8、一上來就用嚴(yán)格、系統(tǒng)的方法往往是很難成功的。w 而使用幾個簡單的、但帶有普遍性的經(jīng)驗規(guī)則使用幾個簡單的、但帶有普遍性的經(jīng)驗規(guī)則產(chǎn)生一些接近最優(yōu)的序列接近最優(yōu)的序列，然后再對它們進行仔細(xì)的評價以確定最終的分離序列。w 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則分為四大類分為四大類:w (1)關(guān)于分離方法的規(guī)則(M類規(guī)則類規(guī)則)，針對一特定的大量任務(wù)，確定最好采用哪一類分離方法；w (2)關(guān)于設(shè)計方面的規(guī)則(D類規(guī)則類規(guī)則)，針對那些具有某個特定性質(zhì)的分離序列，w (3)與組分性質(zhì)有關(guān)的規(guī)則(s類規(guī)則類規(guī)則)。根據(jù)欲分離組分性質(zhì)上的差異而提出的規(guī)則；w (4)與組成和經(jīng)濟性有關(guān)的規(guī)則(以下簡稱以下簡稱C類規(guī)類規(guī)則則)。表示

9、進料組成及產(chǎn)品組成對分離費用的影響w 以下分別進行介紹:w 規(guī)則規(guī)則1（S2) 當(dāng)關(guān)鍵組分間的相對揮發(fā)度接近1時，應(yīng)該在沒有非關(guān)鍵組分存在的情況下進行分離(或定義為:難分離的組分后分離)。w 因為關(guān)鍵組分間的相對揮發(fā)度接近1時，分離是困難的，往往需要較多的塔板數(shù)、較大的回流比，因此將增大所需分離費用。F間性質(zhì)差別分離點兩側(cè)相鄰兩組分進料量分離費用直觀推斷的一般規(guī)則對蒸餾序列的綜合，主要有以下幾條直觀推斷規(guī)則： 例：例：有一個4個組分的待分離混合物，各組分l、2、3、4的摩爾量相等，即Fl F2 F3 F4 F，而組分1、2之間的性質(zhì)差別與組分3、4之間的性質(zhì)差別相等，即12 34 。而組分2、

10、3之間性質(zhì)差別較小，為 23 12/3。 計算比較3種可能的分離序列，由數(shù)字說明把難分離的組分放在最后處理的方案的總費用最小。12 34 23 12/3Fl F2 F3 F4 FF間性質(zhì)差別分離點兩側(cè)相鄰兩組分進料量分離費用1234123434324FFFFFFFFFFFFF1523/3434432343212432112 34 23 12/3F間性質(zhì)差別分離點兩側(cè)相鄰兩組分進料量分離費用FFFFFFFFFFFFF133/234233234432124321123412342324312 34 23 12/3F間性質(zhì)差別分離點兩側(cè)相鄰兩組分進料量分離費用FFFFFFFFFFFFF16223/4

11、34431243223432112341123432412 34 23 12/3w 規(guī)則規(guī)則2 最好將各組分逐個從塔頂餾出，即采用直接序列。w 逐一餾出可減少冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷，因此降低生產(chǎn)成本。w 規(guī)則規(guī)則3 w (C1) 進料中占據(jù)分額大的組分應(yīng)首先分離出去，這樣可減少后續(xù)分離器的熱負(fù)荷。w (C2) 最好采用塔頂餾出物與塔底產(chǎn)物的流量近于相等，此時可減少整個塔系熱負(fù)荷。w 舉例說明：設(shè)進料中組分1、2、3、4摩爾分率相等。1234123434324FFFFF933243211234123423243F9F2F3F3F4321123411234324FFFFF822224321w 規(guī)則

12、規(guī)則4 應(yīng)將回收率要求很高的餾分放在塔系的應(yīng)將回收率要求很高的餾分放在塔系的最后進行分離。最后進行分離。w 產(chǎn)品純度要求高，勢必需要較多的級數(shù)（在回流比變化不大時），如果分離時有非關(guān)鍵組分存在，不僅增加塔內(nèi)汽、液負(fù)荷，也需增大塔徑，設(shè)備費用和操作費用同時增大。w 即將高純度和高回收率的組分放在最后分離可以減小設(shè)備尺寸。w 規(guī)則規(guī)則5(D1) 希望必須產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)目最少，即避免重復(fù)得到相同的產(chǎn)品，使分離設(shè)備數(shù)最少。w 規(guī)則規(guī)則6 當(dāng)使用質(zhì)量分離劑時，除非其對后繼分離過程有利，最好應(yīng)在下一個分離器中立即回收，以減小后繼過程的負(fù)荷。w 該法將直觀推斷規(guī)則按重要程度排序，然后按次序使用這些規(guī)則，逐步綜

13、合出分離序列。w 有序直觀推斷規(guī)則有序直觀推斷規(guī)則w 規(guī)則規(guī)則1(M1) 當(dāng)其他情況相同時，最好采用能量分離劑，盡量避免采用質(zhì)量分離劑。 有序直觀推斷法w 規(guī)則規(guī)則2(M2) 避免真空蒸餾和冷凍，考慮用液液萃取代替真空蒸餾。w 規(guī)則規(guī)則3(D1) 傾向于最少的產(chǎn)品品種w 規(guī)則規(guī)則4(S1) 首先除掉具有腐蝕性、毒性的組分w 規(guī)則規(guī)則5(S2) 最后處理難分離組分w 規(guī)則規(guī)則6(C1) 進料中含量最多的組分首先分離出去。w 規(guī)則規(guī)則7(C2) 當(dāng)組分間性質(zhì)差別不大時，傾向于塔頂、塔底產(chǎn)品量50/50分離。w 若不能按50/50分離，則可選擇具有“最大易分離系數(shù)”處為分離點。 規(guī)則七中提出了易分離

14、系數(shù) CES。 CES定義式： f 塔頂、塔釜摩爾流率比值 即 或 ，f 恒小于1。 兩分離組分沸點差 T或 fCESWDf DWf 100) 1(例 題w 例1 一含有5個組分的輕烴混合物，組成如下：組分組成(mol分率）相鄰組分間相對揮發(fā)度易分離系數(shù)ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.46組分組成(mol分率）相鄰組分間相對揮發(fā)度易分離系數(shù)ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.465 .11455. 045. 0140140100) 14 .

15、 2(55. 045. 0)15. 005. 025. 0(105. 015. 025. 0CDCDCDCESfWDf w 求解步驟求解步驟： 第一步：考慮規(guī)則一、二而采用常規(guī)蒸餾，即用能量分離劑 ，應(yīng)避免冷凍以減小能耗，但由于丙烷沸點為零下。故需降溫至零下液化后才能進行蒸餾。為降低冷凍負(fù)荷，需加壓使丙烷沸點升高，同時冷凍。 第二步：考慮規(guī)則三、四，由于該例中無相同產(chǎn)品的多路排出和易腐蝕有毒組份，故無此問題。 第三步：考慮規(guī)則五，最后處理難分離組份，故B C與D E之間揮發(fā)度小，故后分離。 第四步：考慮規(guī)則六，傾向于塔頂、塔底等摩爾分（50/50）分離，應(yīng)先分出后，但由于D E間難分離，故不能

16、先分離 E。 第五步：考慮規(guī)則七，由于A B間 =2，C D間 =2.4，差不多，需求CES，比較見表。 組分組成(mol分率）相鄰組分間相對揮發(fā)度易分離系數(shù)ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.46ABCDEABC DEWDf 組分組成(mol分率）相鄰組分間相對揮發(fā)度易分離系數(shù)ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.46ABCDEABCDE5 .1141408182. 0140100) 14 . 2(8182. 035. 02 . 025. 01

17、5. 005. 0fCESfw 第六步：繼續(xù)利用規(guī)則七，研究A B C間組份的分離序列。ABCDEABCDEABCABCBCABCABCBA組分組成(mol分率）相鄰組分間相對揮發(fā)度易分離系數(shù)ABC0.050.150.252.01.3312.526.4WDf w 結(jié)論：得到適宜的分離序列為:ABCDEABCDEABCAB8.5 相對費用函數(shù)法w 相對費用函數(shù)是1997年北京化工大學(xué)施寶呂等提出的。w 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)CES。w 作者認(rèn)為，分離度系數(shù)相關(guān)的兩個變量(塔頂、塔釜產(chǎn)品摩爾流串比)與 T(欲分離二組分沸點差)與分離器的設(shè)備費和操作

18、費不應(yīng)該表現(xiàn)為線性關(guān)系。w 經(jīng)過大量的模擬計算和曲線擬合，得到相對費用函數(shù)表達(dá)式：w 例8-3 由丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷五個組分組成的輕烴混合物進料，其加料流量q為907.2 kmo1/h、各組分的常壓沸點和摩爾分?jǐn)?shù) 及各相鄰組分的 T ，f和F值列于下表。采用相對費用函數(shù)法分析最優(yōu)的分離序列131. 18 .30*41. 2)0526. 01(41. 2)1(8 .30)07.4227.11(0526. 005. 0105. 031. 037. 231. 073. 2TfFTfw各相鄰組分的 T、f 和F 值計算舉例：w 由相對費用函數(shù)F值判別第一分離塔的最低費用切割點，由于組

19、分由于組分C、D之間的之間的F值值最小，所以首先應(yīng)從最小，所以首先應(yīng)從C、D之間進行分割之間進行分割。w 即第一分離塔分離方案為ABC DE。w 下一個分離塔中ABC的分離為三組分分離問題，可按同樣的方法判別最低費用切割點。w 對ABC之間的分割費用函數(shù)值計算結(jié)果用f、F 表示，列于上表。w 由F值判別ABC組分間的最優(yōu)切割，應(yīng)在A、B間切割，即ABC。073. 18 .30*41. 2)125. 01(41. 2)1(8 .30)07.4227.11(125. 04 . 005. 031. 037. 231. 073. 2TfFTf采用相對費用函數(shù)法分析得到的最優(yōu)的分離序列如下8.6 分離序列綜合過程的評價w 動態(tài)規(guī)劃法、分離度系數(shù)有序探試法和相對費用函數(shù)有序探試法的比較比較:w 動態(tài)規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃法:從理論上說該方法的計算結(jié)果可靠性最高，但其計算工作量十分龐大，工作效率很低；w 分離度系數(shù)法分離度系數(shù)法:計算過程簡單，但往往偏離最佳效果；w 相對費用函數(shù)法相對費用函數(shù)法:保持了