化工過程分析與合成ch8

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，以降低其各項費(fèi)用以降低其各項費(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，許多算法

2、均按計算機(jī)年代，許多算法均按計算機(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)驗總結(jié)的規(guī)則具有很大的實用價值根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)的規(guī)則具有很大的實用價值 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，提出的調(diào)優(yōu)綜合法，

3、 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)者和實際工作經(jīng)且規(guī)則數(shù)目較多，讓初學(xué)者和實際工作經(jīng)驗不足者無所適從驗不足者無所適從 NadgirNadgir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提高以提高分離序列的綜合是一個

4、兩層次的問題，在塔系最佳化的同時，每個塔的設(shè)計也要最佳化(1) 一個進(jìn)料分離為兩個產(chǎn)品(2) 每一個組分只出現(xiàn)在一個產(chǎn)品中，即銳分離（Sharp Separation）(3) 塔底采用再沸器，塔頂采用全凝器 iiiXIxCMin,(a) 順式流程(Direct Sequence)，輕組分在塔頂逐個引出。 (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，則可能的分離序列數(shù)會非常之大BCAABCBCABABCCBA（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?。?/p>

5、、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、萃取）萃?。┗蚧?（ABCDABCD）DCBA8.2.3 8.2.3 可能的分離序列數(shù)可能的分離序列數(shù)DACDCBADCBDCB(a)CDBADCBADCBCB(b)ACDBDCBABADC(c)BACDDCBACBACB(d) 用S種分離方法（簡單銳分離），把含有R個組分的混合物分離成R個純組分的產(chǎn)品，分離序列數(shù)S:ACBDCBACBABA(e)11)!1(! 12RjjRjRRRRSSS 分離多組分進(jìn)料時，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

6、得到RjjG121)R(RCBACBADCBBACBDC A C CD第一個分離器的進(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 每個分離子問題與一個實際分離單元相對每個分離子問題與一個實際分離單元相對應(yīng)，分離序列是分離子問題的不同組合形應(yīng)，分離序列是分離子問題的不同組合形式式 對于對于R R個組分的分離問題，所含的分離子問個組分的分離問題，所含的分離子問題題1161)1)(R-R(R)(RjjRjU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分離器的分離子問題對于后面分離器的分離子問題DCBADCBADCBACBACBADCBDC

7、BBACBDC表表8-3 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)U211313226443510105414152065422135761322856874293684981,430451201094,86255165111016,79666220 待分離組分?jǐn)?shù)R增大時，子群數(shù)G和分離子問題數(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

8、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：4lim1RRRSS1lim1RRRUU 有時目標(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DCBABADC圖圖8-3 把（ABCD）分離成（AB）和（CD）DCBA ADCB BDC C DDB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

9、離序列中各單元設(shè)備在最優(yōu)設(shè)計參數(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)（CDS），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 這種方法耗時費(fèi)力，效率最低，當(dāng)組分?jǐn)?shù)較大時，可行方案極多，計算工作量太大，致

10、使無法實施動態(tài)規(guī)劃法是解決多階段決策過程最優(yōu)化問題的一種方法 多階段決策過程是指由于這種過程的特殊性可以將它分為若干步，而在每一步中都需要作出決策，以便使整個過程取得最優(yōu)效果 根據(jù)動態(tài)規(guī)劃原理，如果一個分離序列是最優(yōu)的，則綜合該分離序列的各步?jīng)Q策也必定是最優(yōu)的 綜合分離序列問題可以看成一個多步?jīng)Q策過程 對于處理R個組分進(jìn)料，采用簡單銳分離器的分離序列，共需要R-1個分離器。每選擇一個分離器都可以看成是一步?jīng)Q策過程，因此該分離序列的綜合問題就可以看成是R-1步?jīng)Q策過程四組分分離器四組分分離器（共三個）（共三個）41CDCBA42CDCBA43CDCBA三組分分離器三組分分離器（共四個）（共四個）

11、31CCBA32CCBA33CDCB34CDCB二組分分離器二組分分離器（共三個）（共三個）21CBA22CCB23CDC四組分分離序列中的分離子問題四組分分離序列中的分離子問題第一步?jīng)Q策第二步?jīng)Q策第三步?jīng)Q策C23C42C41C43C31C32C21C22C23C22C21C33C340ABCDABCDABCDABCDABCDA BCDAB CDABC DAB CDABC DAB C DA BC DA B CD產(chǎn)品集合ABCDA B C D終止?fàn)顟B(tài)初始狀態(tài)N=4時綜合分離序列多步?jīng)Q策過程序列圖 分離序列樹相當(dāng)于一個三步?jīng)Q策過程 如果要找到一組最優(yōu)策略，使系統(tǒng)從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到終止?fàn)顟B(tài)，則一個轉(zhuǎn)移

12、策略是： 不論系統(tǒng)的初始狀態(tài)和初始決策如何，其余的決策對于初始狀態(tài)和初始決策一起導(dǎo)致的第一步狀態(tài)來說，必須構(gòu)成一個最優(yōu)策略N步?jīng)Q策過程目標(biāo)函數(shù)可寫成：Xk第k步?jīng)Q策的終止?fàn)顟B(tài)或第k+1步?jīng)Q策的起始狀態(tài)Uk第k+1步的控制或決策C(Xk, Uk)第k+1步的費(fèi)用函數(shù)，系Xk、Uk的函數(shù)10!min )(NikkUXC 令Vj(Xi)表示自Xi狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)j步?jīng)Q策轉(zhuǎn)移到終止?fàn)顟B(tài)時目標(biāo)函數(shù)的最小值。按動態(tài)規(guī)劃的最優(yōu)原理可以得到S（XN）表示由于終止?fàn)顟B(tài)不同所反映的費(fèi)用函數(shù)值，一般終止?fàn)顟B(tài)只有一個，S（XN）=0)(),(min)(1)1(kkNkkUUkkNXVUXCXVk1, 1 , 0Nk)()

13、(0NNXSXV例：對第三步?jīng)Q策過程（K=2，N=3） 則： 對于不同的節(jié)點(diǎn)（狀態(tài)）則有V1()=V1()=C22V1()=V1()=C23)(),(min)(3022212XVUXCXVUU0)()(320XSXV),(min)(22212UXCXVUU 2121),(min)(CUIVCIVV對第二步?jīng)Q策過程（K=1，N=3）)(),(min)(2111121XVUXCXVUU)()(min)(),(min)(132131211111VVCIVVCXVUICIVUUUU)(min)(12111VIVCIVUU)()(min)(13413311VIIIVCVIIVCIVUU對第一步?jīng)Q策過程（

14、K=0，N=3） 應(yīng)用遞推公式從解出V1(X2)，再解出V2(X1)，最后解出V3(X0)，即目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。然后，將上述計算反演即可求出各步?jīng)Q策，即最優(yōu)分離序列)()()(min)(), 0(min)0(243242241120300IIIVCIIVCIVCXVUCVUUUU 動態(tài)規(guī)劃屬于隱枚舉法，是一個比窮舉法有效得多的算法。它是在一個比原搜索空間小得多的空間上進(jìn)行窮舉的一種算法。 在由所有不同分離器所組成的空間中進(jìn)行窮舉，是一個可行算法；在由所有可能分離序列所組成的空間中進(jìn)行窮舉是不可行算法。 綜合最優(yōu)分離序列的動態(tài)規(guī)劃法，要詳細(xì)計算各分離序列中所用到的全部不同分離器的總費(fèi)用，計算工作

15、量也是相當(dāng)可觀的。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(jìn)料，其加料速度為907.2kmol/h，各組分的摩爾分率如下：試按動態(tài)規(guī)劃法綜合該分離序列試按動態(tài)規(guī)劃法綜合該分離序列組分摩爾分率組分摩爾分率A(丙烷)0.05D(異戊烷)0.20B(異丁烷)0.15E(正戊烷)0.35C(正丁烷)0.25解： 將五組分混合物進(jìn)料用簡單銳分離器進(jìn)行分離，共需要40個分離器， 總共有14個不同的分離序列， 20個不同的分離器， 可以把它看成4步?jīng)Q策過程。 通過過程模擬可以詳細(xì)計算出這時所有20個不同分離器的費(fèi)用子物流組切割點(diǎn)完成該切割分離器費(fèi)用元/年10-5包括子序列的分離總費(fèi)用元

16、/年10-5子物流組分離費(fèi)用最小值元/年10-5最優(yōu)序列(A,B)A / BC210.26130.26130.2613(B,C)B/CC220.94930.94930.9493C,D)C/DC230.59270.59270.5927(D,E)D/EC241.69201.69201.692A/BCC310.39531.34461.3446(A,B,C)AB/CC321.19801.4593B/CDC331.12601.7187(B,C,D)BC/DC340.76751.71681.7168C/DEC350.78172.4737(C,D,E)CD/EC361.85302.44572.4457A/B

17、CDC410.47072.13752.1875AB/CDC421.40502.2590(A,B,C,D)ABC/DC430.94452.2891B/CDEC441.33403.7797BC/DEC450.94433.58563.5856(B,C,D,E)BCD/EC462.41804.1358A/BCDEC510.57154.15714.1571AB/CDEC521.65004.3570ABC/DEC531.14904.1856(A,B,C,D,E)ABCD/EC542.66004.8475按遞推公式，對第四步?jīng)Q策過程求最優(yōu)值函數(shù)為：按遞推公式，對第四步?jīng)Q策過程求最優(yōu)值函數(shù)為： 年元年元年元年

18、元年元年元年元/ 105927. 019/ 106920. 118/ 109493. 017/ 105927. 016/ 106920. 115/ 105927. 014/ 106920. 1135231524152215231524152315241CVCVCVCVCVCVCV 年元年元年元年元年元年元年元/ 102613. 026/ 109493. 025/ 105927. 024/ 109493. 023/ 105927. 022/ 102613. 021/ 109493. 0205211522152315221523152115221CVCVCVCVCVCVCV按遞推公式對第三步?jīng)Q策過

19、程求最優(yōu)值函數(shù)為：按遞推公式對第三步?jīng)Q策過程求最優(yōu)值函數(shù)為： 年元年元年元年元/ 104457. 2105927. 0108530. 1106920. 1107817. 0min8/ 107168. 1109493. 0107675. 0105927. 0101260. 1min7/ 106413. 2106920. 1109493. 0min6/ 104457. 2105927. 0108530. 1106920. 1107817. 0min55555525555525552555552VVVV 年元年元年元年元/ 103446. 1102613. 0101980. 1109493. 010

20、3953. 0min12/ 108540. 0105927. 0102613. 0min11/ 107168. 1109493. 0107675. 0105927. 0101260. 1min10/ 103446. 1102613. 0101980. 1109493. 0103953. 0min95555525552555552555552VVVV第二步?jīng)Q策過程求最優(yōu)值函數(shù)為：第二步?jīng)Q策過程求最優(yōu)值函數(shù)為： 年元年元/ 10707. 2104457. 2102613. 0min2/ 105856. 3107168. 1104180. 2106413. 2109493. 0104457. 210

21、3340. 1min1555355555553VV 年元年元/ 101875. 2103446. 1109445. 0108540. 0104050. 1107168. 1104707. 0min4/ 100366. 3103446. 1106920. 1min3555555535553VV對第一步?jīng)Q策過程的最優(yōu)值函數(shù)為：對第一步?jīng)Q策過程的最優(yōu)值函數(shù)為： 年元/ 101571. 4101875. 2106600. 2100366. 3101490. 1107070. 2106500. 1105856. 3105715. 0min05555555554V 最優(yōu)序列的年總費(fèi)用為4.1571105元

22、/年，將各步最優(yōu)值函數(shù)反演即可求得各步最優(yōu)決策EDCBA AEDCBCBED E D C B最優(yōu)分離序列 除動態(tài)規(guī)劃法以外,常用的數(shù)學(xué)規(guī)劃法還有等 動態(tài)規(guī)劃法需要檢驗全部分離子問題，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 所謂探試法實際上就是經(jīng)驗法 由于綜合分離序列問題是一個兩層次決策問題，求解復(fù)雜。故可以使用幾個簡單的、但帶有普遍性的經(jīng)驗規(guī)則產(chǎn)生一些接近

23、最優(yōu)的序列，然后再對它們進(jìn)行仔細(xì)的評價以確定最終的分離序列經(jīng)驗規(guī)則可以分為四大類經(jīng)驗規(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)計方面的規(guī)則（D類規(guī)則）。 決定最好采用那些具有某個特定性質(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8.4.1 8.4.1 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則M1M1 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

24、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，則在使用若必須采用質(zhì)量分離劑方法時，則在使用質(zhì)量分離劑的塔后應(yīng)馬上將這個質(zhì)量分離質(zhì)量分離劑的塔后應(yīng)馬上將這個質(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質(zhì)量分離劑。法來分離另一個質(zhì)量分離劑。 如果使用質(zhì)量分離劑的分離方法可增大分離因如果使用質(zhì)量分離劑的分離方法可增大分離因子（如增大相對揮發(fā)度），或者采用這個分離子（如增大相對揮發(fā)度），或者采用這個分離方法可以直接得到多元產(chǎn)品，而利用

25、其它分離方法可以直接得到多元產(chǎn)品，而利用其它分離方法無法做到這點(diǎn)時，可以考慮采用質(zhì)量分離方法無法做到這點(diǎn)時，可以考慮采用質(zhì)量分離劑的分離方法劑的分離方法 半定量地推導(dǎo)出：半定量地推導(dǎo)出：m m0 01.951.95m m使用質(zhì)量分離劑分離方法時，輕、重關(guān)使用質(zhì)量分離劑分離方法時，輕、重關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度鍵組分的相對揮發(fā)度0 0使用常規(guī)精餾方法時，輕、重關(guān)鍵組分使用常規(guī)精餾方法時，輕、重關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度的相對揮發(fā)度8.4.2 8.4.2 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則M2M2 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

26、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），可以考慮吸收等便宜些的替代方案。8.4.3 8.4.3 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則D1D1 產(chǎn)品集合中元素最少的分離序列最有利 當(dāng)產(chǎn)品包括多個多元產(chǎn)品時，應(yīng)當(dāng)選擇能產(chǎn)生最少產(chǎn)品集合的流程。因為產(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8.4.4 8.4.4 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則S1S1 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)移除腐蝕性和危險性的操作，首先應(yīng)移除腐蝕性和危險性的組分組分8.4.5 8.4.5 經(jīng)驗

27、規(guī)則經(jīng)驗規(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 精餾過程所消耗的凈功，既與級間流量成正比，精餾過程所消耗的凈功，既與級間流量成正比，也與冷凝器溫度倒數(shù)及釜溫倒數(shù)之差成正比。也與冷凝器溫度倒數(shù)及釜溫倒數(shù)之差成正比。因此應(yīng)盡量不使頂溫與釜溫相差較大的塔有較因此應(yīng)盡量不使頂溫與釜溫相差較大的塔有較大的級間流量。大的級間流量。 反之，也應(yīng)盡量不使較大級間流量的塔有較大反之，也應(yīng)盡量不使較大級間流量的塔有較大的頂釜溫差，避免凈功耗為兩個大數(shù)的乘積。的頂釜溫差，避免凈功耗為兩個大數(shù)的乘積。 級間流量大致與級間流量大致與( (-1-1）-1-1成正比

28、，而頂釜溫差成正比，而頂釜溫差卻是由塔頂、塔釜產(chǎn)出物所決定的。因此，若卻是由塔頂、塔釜產(chǎn)出物所決定的。因此，若接近接近1 1，級間流量將很大，如果該塔不存在，級間流量將很大，如果該塔不存在非關(guān)鍵組分則可使頂釜溫差保持最小。反之，非關(guān)鍵組分則可使頂釜溫差保持最小。反之，當(dāng)當(dāng)較大時，就可以允許頂釜溫差大一些較大時，就可以允許頂釜溫差大一些8.4.6 8.4.6 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則C1C1 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8.4.7 8.4.7 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則C2C2 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

29、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，精餾段的回流比和提餾段的蒸發(fā)相同時，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，精餾段的操作線要比提餾段的摩爾數(shù)時，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，提餾段的有效能損失會出物的摩爾數(shù)時，提餾段的有效能損失會很大

30、很大 在實際應(yīng)用時如何判斷哪個切割既接近于等摩在實際應(yīng)用時如何判斷哪個切割既接近于等摩爾切割，又具有合理的相對揮發(fā)度數(shù)值？爾切割，又具有合理的相對揮發(fā)度數(shù)值？ fCESf產(chǎn)品摩爾流量的比值，取B/D和D/B比值小于等于1的數(shù)值B、D分別為塔釜、塔頂產(chǎn)品的摩爾流量欲分離兩個組分的沸點(diǎn)差?；颍?00) 1(8.4.7 8.4.7 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則C2C2 等摩爾分割最為有利 首先進(jìn)行CES數(shù)值最大的分割 上述這些經(jīng)驗規(guī)則在實際應(yīng)用中常常互相上述這些經(jīng)驗規(guī)則在實際應(yīng)用中常?；ハ鄾_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

31、根據(jù)另一理由又該用另一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)驗規(guī)則的真正價值在于減少需要評上述經(jīng)驗規(guī)則的真正價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)驗規(guī)則根本矛盾的分離序列述經(jīng)驗規(guī)則根本矛盾的分離序列一個含有5個組分的輕烴混合物的組成如下： 擬采用常規(guī)蒸餾，試綜合出合適的分離序列，分離該5個組分為純組分組組 分分組組 成成(mol 分分 率率 )相相 對對 組組 分分 間間 相相對對 揮揮 發(fā)發(fā)度度 (37.7 , 1.72MPa)容容 易易 分分 離離 系系 數(shù)數(shù)CESA 丙 烷0.052.05.26B 異 丁 烷0.15

32、1.338.25C 正 丁 烷0.252.10114.50D 異 戊 烷0.201.2513.46E 正 戊 烷0.35解： 求取求取CESCES：（：（以以A A為例）為例）該分離點(diǎn)下全系統(tǒng)的容易分離系數(shù)該分離點(diǎn)下全系統(tǒng)的容易分離系數(shù)26. 519100100100) 12(191)05. 01 (05. 0fCESf由M1、M2，采用常規(guī)蒸餾；由于輕組分沸點(diǎn)低，為減輕冷凍負(fù)荷，采用加壓下冷凍D1、S1未用S2，組分D、E間難分離，這是因為其間組分相對揮發(fā)度最小，=1.25，故放在最后分離由C1，組分E含量大（占0.35），似應(yīng)先分離出去，但因為S2優(yōu)于C1，所以組分E不宜先分離出去由C2，

33、傾向于50/50分離，加上再考慮CES值，則ABC/DE，即C、D間為分離點(diǎn)較宜，此時為0.45/0.55分離，CES=114.5為最大現(xiàn)考慮A、B、C的分離方案選擇，需要比較各分離點(diǎn)的CES值參參數(shù)數(shù)A/BCAB/Cf0.05/0.400.20/0.25=(-1)100(2-1) 100=100(1.33-1) 100=33CES=f12.526.4最優(yōu)分離序列EDCBACBAEDBA ED C B A 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)CES。 使用“通用精餾模擬軟件包”，經(jīng)過大量的模擬計算和曲線擬合，得到相對費(fèi)用函

34、數(shù)FF=min(D/W, W/D)D塔頂摩爾流率W塔釜摩爾流率T兩分離組分沸點(diǎn)差31. 073. 241. 2)1(TfF例例由丙烷、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(jìn)料，其加料流量q為 907.2kmol/h，各組分的常壓沸點(diǎn)和摩爾分?jǐn)?shù)，各相鄰組分的T，各切割點(diǎn)上的f和F值列于下表組組 分分 Tb ( )xT ( )fFfFA-41.070.0530.80.05261.1310.1251.073B-1 1.270.1510.770.251.3770.801.159C-0.50.2528.350.8180.858D27.850.208.150.5541.315E360.3

35、5解： 由相對費(fèi)用函數(shù)F值判別，C、D之間的F值最小，所以首先應(yīng)從C、D間分割。即ABC/DEABC為三組問題，按同樣的方法判別最低費(fèi)用切割點(diǎn)為在A、B間切割，即A/BC 對于BC和DE的分離問題，不必再進(jìn)行計算，即B/C和D/EBCDEABCDBCEAABCDE最優(yōu)分離流程過程綜合問題中的三個主要問題： 過程綜合問題的描述方法。描述方法應(yīng)包括所有的方案，自動棄去根本不合理的方案，并且還可以直接求解過程綜合問題 過程綜合問題的評價方法。“有效評價”，就是要有一定的速度和一定的精確性 過程綜合問題的決策方法。不用列舉全部方案就能很快找到較好的方案 從理論上說，動態(tài)規(guī)劃的計算結(jié)果可靠性最高，但其計

36、算工作量十分龐大，工作效率很低； 分離度系數(shù)法計算過程簡單，但往往偏離最佳效果； 相對費(fèi)用函數(shù)法，保持了計算過程簡單，而結(jié)果相對比較精確的優(yōu)點(diǎn)E0.9493BCDE1.6920DEBCBCAABCDED0.57150.9443 動態(tài)規(guī)劃法 $ = 4.1571 BC0.26131.6920DEABCDEAABCDE1.14901.1980分離度系數(shù)法 $ = 4.30030.9493DEABCBCDBCEAABCDE1.14900.39531.6920相對費(fèi)用法 $ = 4.1856動態(tài)規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃法 $ = 4.1571 $ = 4.1571 10105 5 分離度系數(shù)法分離度系數(shù)法 $

37、= 4.3003 $ = 4.3003 10105 5 相對費(fèi)用法相對費(fèi)用法 $ = 4.1856 $ = 4.1856 10105 5 動態(tài)規(guī)劃法最佳，相對費(fèi)用法其次，而分動態(tài)規(guī)劃法最佳，相對費(fèi)用法其次，而分離度系數(shù)法最差離度系數(shù)法最差 動態(tài)規(guī)劃法與相對費(fèi)用法相差動態(tài)規(guī)劃法與相對費(fèi)用法相差0.02850.028510105 5 美元，占總費(fèi)用的美元，占總費(fèi)用的0.685%0.685%。動態(tài)規(guī)劃法與。動態(tài)規(guī)劃法與分離度系數(shù)法差分離度系數(shù)法差0.14320.143210105 5美元，占總費(fèi)美元，占總費(fèi)用的用的3.44%3.44% 相對費(fèi)用法具有較快的綜合速度，并兼有較好的準(zhǔn)確性 但任何一種方法

38、的建立均有一定條件的簡化，因此限制了其結(jié)果的正確性。在實際應(yīng)用時，應(yīng)適當(dāng)保留若干個次優(yōu)或較優(yōu)的塔序，經(jīng)過詳細(xì)計算的比較后再作取舍 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，甚至部分地考慮其它替代的分離方案 在此過程中經(jīng)常使用直覺調(diào)優(yōu)法，使開發(fā)的分離流程進(jìn)一步具有實用價值 所謂調(diào)優(yōu)法，就是按照一定的調(diào)優(yōu)規(guī)則和策略對某一初始分離序列，進(jìn)行逐步改進(jìn)而搜索最優(yōu)分離序列的一種方法 建立初始分離序列 確定調(diào)優(yōu)規(guī)則 制定調(diào)優(yōu)策略 利用前面介紹的探試法確定初始方案。該法簡單，能較快地獲得初始方案 已有的

39、流程方案或現(xiàn)有生產(chǎn)裝置序列也可作為調(diào)優(yōu)的初始方案 利用調(diào)優(yōu)規(guī)則產(chǎn)生的分離序列應(yīng)該是可行的 反復(fù)運(yùn)用調(diào)優(yōu)規(guī)則，應(yīng)產(chǎn)生所有可能的序列 由流程甲產(chǎn)生出流程乙，甲、乙流程間不應(yīng)存在十分顯著的差異 利用各調(diào)優(yōu)規(guī)則從現(xiàn)行序列（如初始序利用各調(diào)優(yōu)規(guī)則從現(xiàn)行序列（如初始序列）產(chǎn)生全部可行相鄰序列。通過模擬計列）產(chǎn)生全部可行相鄰序列。通過模擬計算得到各分離序列的費(fèi)用，選擇其中費(fèi)用算得到各分離序列的費(fèi)用，選擇其中費(fèi)用最低的作為新的現(xiàn)行序列。重復(fù)這一過程，最低的作為新的現(xiàn)行序列。重復(fù)這一過程，直到找到最優(yōu)解直到找到最優(yōu)解 利用嚴(yán)格模型計算分離序列的費(fèi)用，利用嚴(yán)格模型計算分離序列的費(fèi)用，而是用探試法從可行相鄰序列中選

40、擇最好而是用探試法從可行相鄰序列中選擇最好的方案，作為下一步調(diào)優(yōu)的現(xiàn)行方案。的方案，作為下一步調(diào)優(yōu)的現(xiàn)行方案。 現(xiàn)行方案確定后，僅對現(xiàn)行方案進(jìn)行現(xiàn)行方案確定后，僅對現(xiàn)行方案進(jìn)行嚴(yán)格計算，計算的結(jié)果與前次現(xiàn)行方案的嚴(yán)格計算，計算的結(jié)果與前次現(xiàn)行方案的費(fèi)用比較。若確實有所改進(jìn)，則確認(rèn)該方費(fèi)用比較。若確實有所改進(jìn)，則確認(rèn)該方案為新的現(xiàn)行方案，否則用探試法選次優(yōu)案為新的現(xiàn)行方案，否則用探試法選次優(yōu)方案作為下一步調(diào)優(yōu)現(xiàn)行方案，并通過嚴(yán)方案作為下一步調(diào)優(yōu)現(xiàn)行方案，并通過嚴(yán)格計算確認(rèn)。格計算確認(rèn)。 若探試法則選擇得當(dāng)，該法效率較高若探試法則選擇得當(dāng)，該法效率較高 利用一個或部分調(diào)優(yōu)規(guī)則對初始序列利用一個或部

41、分調(diào)優(yōu)規(guī)則對初始序列進(jìn)行反復(fù)調(diào)優(yōu)，直到找到一個局部最優(yōu)解。進(jìn)行反復(fù)調(diào)優(yōu)，直到找到一個局部最優(yōu)解。然后換用其它調(diào)優(yōu)規(guī)則尋求進(jìn)一步的改進(jìn)然后換用其它調(diào)優(yōu)規(guī)則尋求進(jìn)一步的改進(jìn) 若序列總數(shù)不多，或找到的序列為局若序列總數(shù)不多，或找到的序列為局部最優(yōu)，則可以不僅對現(xiàn)行序列產(chǎn)生相鄰部最優(yōu)，則可以不僅對現(xiàn)行序列產(chǎn)生相鄰序列，而且可以對所有的相鄰序列產(chǎn)生相序列，而且可以對所有的相鄰序列產(chǎn)生相鄰序列。運(yùn)用此策略的前提條件是足夠的鄰序列。運(yùn)用此策略的前提條件是足夠的時間和空間時間和空間例：試采用有序探試法綜合初始分離序列并使用調(diào)優(yōu)綜合法找出最優(yōu)分離序列 丙烷、1-丁烯、正丁烷、反2-丁烯、順2-丁烯、正戊烷等六個

42、組分所組成的混合物，其技術(shù)要求及物性常數(shù)列于下表。相相鄰鄰組組分分的的相相對對揮揮發(fā)發(fā)度度組組分分進(jìn)進(jìn)料料組組成成kmol/h常常規(guī)規(guī)精精餾餾萃萃取取精精餾餾A 丙烷4.55AB2.45B 1-丁烯45.5BC1.18CB1.17C 正丁烷155.0CD1.03CD1.70D 反 2-丁烯48.2DE2.89E 順 2-丁烯36.8EF2.50F 正戊烷18.2 可選用的分離方法有常規(guī)精餾（方法I）和用呋喃叉的萃取精餾（方法II），對應(yīng)的組分次序表分別為方法I： ABCDEF方法II： ACBDEF 進(jìn)料溫度為37.8C，進(jìn)料壓力為1.03MPa，要求的產(chǎn)品為A、BDE（混合丁烯）、C、F四種

43、解：解：首先按照有序探試法確定初始分離序列 根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則M1，采用萃取精餾進(jìn)行C/DE分割，而剩下的所有分割均采用常規(guī)精餾方法 根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則M2，精餾塔低溫操作，所用壓力為常壓中壓 根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則D1，由于D和E均存在于同一最終產(chǎn)品（混合丁烯）中，故應(yīng)避免在DE間進(jìn)行分割。這里通過將B與DE混合就可以直接得到混合丁烯產(chǎn)品（BDE） 根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則S2，由于C/DE分割是較難進(jìn)行的并且需要采用萃取精餾的方法，因此這個分割應(yīng)當(dāng)放在序列的最后，即在沒有A、B、F組分存在的條件下進(jìn)行 根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則C1，組分C是進(jìn)料中含量最多的，應(yīng)當(dāng)盡快分離出去。但由于經(jīng)驗規(guī)則S2優(yōu)先于經(jīng)驗規(guī)則C1，因此不應(yīng)自進(jìn)料中將組分

44、C首先分離出來。另外，分割C/DE的萃取精餾最好放在序列的最后，這樣就可以使中間序列盡可能地避免受質(zhì)量分離劑呋喃叉的污染 根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則C2，按進(jìn)料組成及相對揮發(fā)度數(shù)值，計算出采用兩種分離方法時，各自第一個分離器的CES值，并據(jù)此確定初始分離序列及其二元樹1IFEDCBA2IEDCBA F3IBA4IIEDC A B CED1I2I F3I4II BED A C年總費(fèi)用=877,572美元丁丁烯烯分分離離過過程程的的初初始始分分離離序序列列及及其其二二元元樹樹 把這個初始流程圖作為當(dāng)前流程圖進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)優(yōu)綜合。 通過采用調(diào)優(yōu)法則，產(chǎn)生當(dāng)前流程圖的所有近鄰流程圖，并利用經(jīng)驗規(guī)則篩選出較有希望的近鄰

45、流程圖，只對這個較有希望的近鄰流程圖進(jìn)行計算評價，從而產(chǎn)生下輪搜索的當(dāng)前流程圖。 重復(fù)上述步驟，直到?jīng)]有改進(jìn)時為止首先，將算子I2與II4交換位置，得到下近鄰流程圖1IFEDCBA4IIEDCBA F2ICBA3IBA CED B A1I4II F2I CED3I B Aa將算子I2與I3交換位置，產(chǎn)生上近鄰流程圖年總費(fèi)用=884,828美元1IFEDCBA3IEDCBA F2IEDCB A B C4IIEDCED1I3I F A2I BED C4IIb將算子I1與I2交換位置,又產(chǎn)生一個上近鄰流程圖年總費(fèi)用=860,400美元2IFEDCBA3IBA F1IFEDC A B C4IIEDCE

46、Dc2I3I F A2I BED C4II利用經(jīng)驗規(guī)則篩選上面的三個近鄰流程圖 圖a中，萃取精餾不能位于分離序列的最后，因此，根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則S2，估計這個近鄰流程圖不會帶來多大的改善 通過計算，圖b的年總費(fèi)用為884,828美元，劣于初始流程圖。圖c的年總費(fèi)用為860,400美元，優(yōu)于初始流程圖，因此，可以用這個流程圖作為當(dāng)前流程圖進(jìn)行下一輪搜索。 重復(fù)前面產(chǎn)生近鄰流程的過程，得到全部近鄰流程圖年總費(fèi)用=869,475美元3IFEDCBA2IFEDCB F1IFEDC A B C4IIEDCED3I1I F A2I BED C4II年總費(fèi)用=880,600美元1IFED2IFEDCBA3IBA F4IIFEDC A B CED2I3I F A4II BED C1I 從經(jīng)驗規(guī)則可以看出，這些流程均要劣于當(dāng)前流程圖 年費(fèi)用的實際計算結(jié)果為8