化工過程分析與合成分離塔序列的綜合

化工過程分析與合成分離塔序列的綜合第1頁/共41頁原料的精制，產(chǎn)品的提純，產(chǎn)品濃縮序言分離是化工生產(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)大的比例分離序列綜合的主要目的：

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)用第2頁/共41頁分離的主要方法蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收、吸附、結(jié)晶、沉淀、絡(luò)合、反應(yīng)、膜分離、電泳和層析等萃取精餾、反應(yīng)精餾、膜吸收、結(jié)晶萃取其中：精餾過程較為成熟，使用最廣第3頁/共41頁8.1精餾塔分離序列綜合概況始于20世紀(jì)70年代，許多算法均按計算機(jī)程序開發(fā)的要求進(jìn)行Hendy等(1972)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)用價值

Rudd等（1973）、Nishida(1981)提出了直觀試探法；

Nasdgir(1983)提出了有序試探法；

Stephanopoulos(1976)提出的調(diào)優(yōu)綜合法，

Rathor等（1974）提出的帶有能量集成的多元分離系統(tǒng)綜合的方法第4頁/共41頁試探法中，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)驗(yàn)不足者無所適從Nasdgir提出分離系數(shù)，使部分試探規(guī)則定量化北京化工大學(xué)施寶昌等（1997）提出了相對費(fèi)用函數(shù)F，使試探規(guī)則定量化的精度得以提高第5頁/共41頁8.2分離序列綜合的基本概念★分離序列的綜合是一個兩層次的問題，在塔系最佳化的同時，每個塔的設(shè)計也要最佳化★一是找出最優(yōu)的分離序列和每一個分離器的性能；★二是對每個分離器找出其最優(yōu)的設(shè)計變量值。第6頁/共41頁8.2.1簡單塔（SimpleColumn）(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（SharpSeparation）(3)塔底采用再沸器，塔頂采用全凝器幾個簡單概念第7頁/共41頁(a)直接序列（順式流程，DirectSequence），輕組分在塔頂逐個引出。(b)非直接序列(IndirectSequence)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)第8頁/共41頁8.2.2順序表（RankedList）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?。?、固體粒度（篩分）、組分揮發(fā)度（蒸餾、萃?。┗颍ˋBCD）第9頁/共41頁8.2.3可能的分離序列數(shù)DACB(a)CDBA(b)ACDB(c)BACD(d)第10頁/共41頁用

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:ACBD(e)第11頁/共41頁8.2.4分離子群(Subgroups)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)求和得到第12頁/共41頁第一個分離器的進(jìn)料后面分離器的進(jìn)料產(chǎn)品表8-1對于4組分進(jìn)料的子群第13頁/共41頁8.2.5可能的分離子問題(SeparationSubproblem)每個分離子問題與一個實(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對于R個組分的分離問題，所含的分離子問題第14頁/共41頁表8-24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úúúúú?ùêêêêê?éDCBA第15頁/共41頁表8-3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)目第16頁/共41頁待分離組分?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分分離序列的綜合面臨著要解決很大數(shù)目的組合問題第17頁/共41頁隨R的增加，對分離序列數(shù)S和分離子問題數(shù)U：第18頁/共41頁8.2.6目標(biāo)產(chǎn)物組有時目標(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)具體情況而定第19頁/共41頁圖8-3把（ABCD）分離成（AB）和（CD）第20頁/共41頁圖8-4把（ABCD）分離成（A）、（C）、（BD）的分離序列第21頁/共41頁8.2.7判別指標(biāo)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)第22頁/共41頁8.2.8分離序列的綜合方法數(shù)學(xué)規(guī)劃法，探試法和調(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)改造和挖潛革新第23頁/共41頁8.3動態(tài)規(guī)劃法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，致使無法實(shí)施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)劃法的一種第24頁/共41頁除動態(tài)規(guī)劃法以外,常用的數(shù)學(xué)規(guī)劃法還有分枝界限法、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第25頁/共41頁8.4分離度系數(shù)有序探試法所謂探試法實(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(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)的評價以確定最終的分離序列第26頁/共41頁經(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)用的影響第27頁/共41頁8.4.1經(jīng)驗(yàn)規(guī)則M1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）。其次才考慮采用質(zhì)量分離劑的方法（例如萃取精餾、液-液萃取的方法）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。第28頁/共41頁8.4.2經(jīng)驗(yàn)規(guī)則M2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），可以考慮吸收等便宜些的替代方案。第29頁/共41頁8.4.3經(jīng)驗(yàn)規(guī)則D1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?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)用也可能較低第30頁/共41頁8.4.4經(jīng)驗(yàn)規(guī)則S1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組分第31頁/共41頁8.4.5經(jīng)驗(yàn)規(guī)則S2應(yīng)把α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)鍵組分第32頁/共41頁8.4.6經(jīng)驗(yàn)規(guī)則C1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)荷第33頁/共41頁8.4.7經(jīng)驗(yàn)規(guī)則C2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)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)用可能最低。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操作線更接近對角線，精餾段的有效能損失會很大。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很大第34頁/共41頁小結(jié)上述這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則在實(shí)際應(yīng)用中常常互相沖突。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，刪去大量與上述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則根本矛盾的分離序列第35頁/共41頁8.5相對費(fèi)用函數(shù)法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)用函數(shù)F第36頁/共41頁8.6分離序列綜合過程的評價從理論上說，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)三種方法的比較第37頁/共41頁8.7調(diào)優(yōu)法利用動態(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(shí)用價值第38頁/共41頁所謂調(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