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， 產品的提純，產品濃縮產品的提純，產品濃縮 分離是化工生產過程中的重要組成部分 分離在裝置的投資及操作費中占相當大的比例 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， 以降低其各項費用以降低其各項費用 蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收、吸附、結晶、蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收、吸附、結晶、 沉淀、絡合、反應、膜分離、電泳沉淀、絡合、反應、膜分離、電泳和和層析層析 等等 萃取精餾、反應精餾、膜吸收、結晶萃取萃取精餾、反應精餾、膜吸收、結晶萃取 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世紀世紀7070年代，

2、許多算法均按計算機年代，許多算法均按計算機 程序開發(fā)的要求進行程序開發(fā)的要求進行 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)驗總結的規(guī)則具有很大的實用價值根據(jù)經(jīng)驗總結的規(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) )提出的調優(yōu)綜合法，提出

3、的調優(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，讓初學者和實際工作經(jīng)且規(guī)則數(shù)目較多，讓初學者和實際工作經(jīng) 驗不足者無所適從驗不足者無所適從 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 北京化工大學施寶昌等（北京化工大學施寶昌等（19971997）提出了相）提出了相 對費用函數(shù)對費用函數(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兩層次的問題，在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，每個塔的設計也要最塔系最佳化的同時，每個塔的設計也要最 佳化佳化 一是找出最優(yōu)的分離序列和每一個分離器一是找出最優(yōu)的分離序列和每一個分離器 的性能；的性能； 二是對每個分離器找出其最優(yōu)的設計變量二是對每個分離器找出其最優(yōu)的設計變量 值。值。 i ii XI xCMin , 8.2.1 簡單塔（簡單塔（Simple Column） (1) 一個進料分離為兩個產品 (2) 每一個組分只出現(xiàn)在一個產品中，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 頂逐個引出。 (b) 非直接序列(Indirect Sequence) 當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 B C A A B C B C A B A B C C B A （a）(b) 依據(jù)是與分離方法有關的物性值依據(jù)是與分離方法有關的物性值 組分的沸點（蒸餾）、溶解度（萃?。?、組分的沸點（蒸餾）、溶解度（萃?。?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 個組分的 混合物分離成R個純組分的產品，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 分離多組分進料時，產生一些子群，也稱 相鄰的流股，其為各分離器的進料或最終 產品 總的不同的分離子問題數(shù)（包括進料）G可 由算術級數(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 第一個分離 器的進料 后面分離器 的進料 產品 表表8-1 8-1 對于對于4 4組分進料的子群組分進料的子群 每個分離子問題與一個實際分離單元相對應，每個分離子問題與一個實際分離單元相對應， 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個組分的分離問題，所含的分離子問題個組分的分離問題，所含的分離子問題 1 1 6 1)1)(R-R(R )( R j jRjU 表表8-2 4組分進料的分離子問題組分進料的分離子問題 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 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 組組分分數(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 待分離組分數(shù)R增大時，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 有時目標產物是混合物，而不是純組分 如果目標產物組的組分在進料流組分順序 表中是相鄰組分，則可把產物組數(shù)作為組 分數(shù) 如果目標產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，需要不斷進行比較，選擇最 優(yōu)的分離子問題構成分離序列 /分離序列中各單元設備在最優(yōu)設計參數(shù)下的 年度費用（設備折舊費+操作費）可以作為判 別指標 /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 數(shù)學規(guī)劃法數(shù)學規(guī)劃法，探試法探試法和調優(yōu)法調優(yōu)法 數(shù)學規(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)必須與調優(yōu)法結合，派生一 些方法，如探試調優(yōu)法 調優(yōu)法只適用于

11、有初始方案下的綜合問題。初 始方案的產生可依賴于探試法或現(xiàn)有生產流程 調優(yōu)法更適于對老廠技術改造和挖潛革新 最基本也是最原始的最優(yōu)化方法是窮舉法 這種方法耗時費力，效率最低，當組分數(shù) 較大時，可行方案極多，計算工作量太大， 致使無法實施 除動態(tài)規(guī)劃法以外,常用的數(shù)學規(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成。不同點在于 某些地方做了一些簡化。有序

12、搜索法利用探試 費用函數(shù)預測完整分離序列的費用下限，通過 比較后予以取舍，進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 產生一些接近最優(yōu)的序列，然后再對 它們進行仔細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，確定較好的分離 方法 關于設計方面的規(guī)則（D類規(guī)則）。 決定最好采用那些具有某個特定性質的分離序列 與組分性質有關的規(guī)則（S類規(guī)則）。 根據(jù)欲分離組分性質上的差異而提出的規(guī)則 與組成和經(jīng)濟性

13、有關的規(guī)則（C類規(guī)則）。 表示了進料組成及產品組成對分離費用的影響 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 才考慮采用質量分離劑的方法（例如萃取才考慮采用質量分離劑的方法（例如萃取 精餾、液精餾、液- -液萃取的方法）液萃取的方法） 若必須采用質量分離劑方法時，則在使用若必須采用質量分離劑方法時，則在使用 質量分離劑的塔后應馬上將這個質量分離質量分離劑的塔后應馬上將這個質量分離 劑分離出去，而且不準用質量分離劑的方劑分離出去，而且不準用質量分離劑的方 法來分離另一個質量分離劑。法來分離另

14、一個質量分離劑。 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，產品從塔頂采出時），可以考慮吸 收等便宜些的替代方案。 產品集合中元素最少的分離序列最有利 當產品包括多個多元產品時，應當選擇能 產生最少產品集合的流程。因為產品集合 越少，分離序列中分離器的數(shù)目也越少， 因此總費用也可能較低 為了避免后繼塔系設備的腐蝕及安全為了避免后繼塔系設備的腐蝕及安全 操作，首先應移除腐蝕性和危險性

15、的操作，首先應移除腐蝕性和危險性的 組分組分 8.4.5 8.4.5 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則S2S2 應把接近1的分割放在分離序列的最后面， 即要在沒有非關鍵組分存在下分離這一對 關鍵組分 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 個組分在后繼塔系的多次蒸發(fā)、冷凝，減 少了后繼塔系的負荷 等摩爾分割最為有利等摩爾分割最為有利 當塔頂餾出物摩爾數(shù)和塔釜產品的摩爾數(shù)當塔頂餾出物摩爾數(shù)和塔釜產品的摩爾數(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，因此費用可能最比可以得到較好的平衡，因此費用可能最 低。低。 若塔頂餾出物的摩爾數(shù)遠小于

16、塔釜產品的若塔頂餾出物的摩爾數(shù)遠小于塔釜產品的 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，若塔釜產品的摩爾數(shù)遠小于塔頂餾反之，若塔釜產品的摩爾數(shù)遠小于塔頂餾 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 很大很大 上述這些經(jīng)驗規(guī)則在實際應用中常?；ハ嗌鲜鲞@些經(jīng)驗規(guī)則在實際應用中常常互相 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 1997年北京化工大學施寶昌等提出 該方法是在有序探試法的基礎上，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 的模擬計算和曲線擬合，得到相對費用函 數(shù)F 從理論上說，動態(tài)規(guī)劃的計算結果可靠性 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； 相對費用函數(shù)法，保持了計算過程簡單， 而結果相對比較精確的優(yōu)點 利用動態(tài)規(guī)劃法、探試法可以綜合出較好 的初始流程 在初始流程的基礎上，要進一步考慮塔序 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)絡的匹配，甚至部 分地考慮