工业过程的综合与设计.ppt
第三章第三章:工业过程的综合与设计工业过程的综合与设计黄克谨北京化工大学信息科学与技术学院主要内容主要内容综合与设计及其目的;综合与设计的目标函数;综合与设计问题的求解原理;一个理想二元蒸馏塔的综合与设计。综合与设计的基本定义综合与设计的基本定义 给定一个符合市场需求的产品及其规格与产量，要求确定一个化工过程的结构与操作条件，使得该系统能够以最小的代价生产出该产品。最小的代价：最小的代价：环境的冲击；投资成本；操作费用。综合与设计的基本过程综合与设计的基本过程基本分析与评价 基于生产原理与环境的粗略评价较准确的分析与评价 基于物料与能量平衡的简单计算精确的设计与评价 基于数学模型的精确计算综合与设计的基本功用综合与设计的基本功用给出最佳的过程设计；进行过程的分析与评价,有益于过程的操作；进行过程的分析与评价,有益于过程的优化。综合与设计的目标函数综合与设计的目标函数TAC(Total annual cost)的定义:TAC=OC+CI/(1)其中:OC 是年操作费用,可由稳态模型提供；CI是设备投资成本,利用可靠的经验公式进行估计;是投资回收年限。综合与设计的求解原理综合与设计的求解原理一个多变量的优化问题;可采用多变量优化技术进行求解;复杂过程的两种求解策略;1.全流程统一设计 2.流程中各个单元的分别设计蒸馏塔的设备投资成本估算原理蒸馏塔的设备投资成本估算原理在F factor为 1 的条件下,蒸馏塔的的直径F factor=vVn D=0.01735(MWT/P)0.25VNt0.5 (2)蒸馏塔的高度 Ht=Nt0.73152 (3)蒸馏塔的设备投资成本估算蒸馏塔的设备投资成本估算冷凝器与再沸器得传热面积:Sreb=Qreb/(UrebTreb)(4)Scon=Qreb/(UconTcon)(5)蒸馏塔的设备投资成本估算蒸馏塔的设备投资成本估算蒸馏塔的外壳费用:Column shell cost=17640D 1.066 Ht 0.802(6)塔板的费用:Tray cost=229D1.55 Nt (7)蒸馏塔的设备投资成本估算蒸馏塔的设备投资成本估算换热器的费用:Total heat exchanger cost=7296Sreb 0.65+7296Scon 0.65(8)蒸馏塔的设备投资成本:Capital Investment(CI)=Column shell cost+Tray cost+Total heat exchanger cost(9)蒸馏塔的操作费用蒸馏塔的操作费用 Operating Cost(OC)=Qcon(Refrigerant price)24300+Qreb(Steam price)24300 (10)例子例子:一个理想一个理想二元蒸馏塔的综合与设计二元蒸馏塔的综合与设计给定一个二元精馏塔，分离由物质A和B组成的混合物，其相对挥发度为2。进料流量为100 mol/s,进料浓度是A:B=0.5:0.5。塔顶产品浓度为0.95(A),塔底产品浓度也为0.95(B)。操作压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol(满足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 kmol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30 kmol。塔板水力学时间常数是8秒。汽液平衡计算汽液平衡计算塔内气液平衡按下式计算：Pj=xA,jPAs +xB,jPBs (1)yi,j=xi,jPis /Pj (2)饱和蒸汽压按下式计算：Ln Pis=Avp,i Bvp,i/Tj (3)A(Avp/Bvp)=13.0394/3862 B(Avp/Bvp)=12.3463/3862理想二元蒸馏塔的基本结构理想二元蒸馏塔的基本结构系系统综统综合与合与设计设计的的经济经济条件条件 ParameterValueCondensersHeat transfer coefficient(kWK1m2)Temperature difference(K)0.85213.9 ReboilersHeat transfer coefficient(kWK1m2)Temperature difference(K)0.56834.8 Refrigerant price($/ton)0.06Steam price($/ton)25(0.985+0.015Psteam)Payback period(yr)3课堂演示课堂演示设计型仿真之一 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.90。设计型仿真之二 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.95。设计型仿真之三 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.99。稳态仿真程序流程图稳态仿真程序流程图 开始给定物性参数，操作条件，塔板数等已知条件读入塔板组分浓度和回流量、再沸器负荷等初始数据利用所读入的数据进行气液相流量，塔板组成，塔板温度的计算根据xtov的计算结果进行塔板物料平衡和产物浓度误差的计算，并得到最大误差covcov=10-8？否调整回流量及再沸器负荷，继续进行xtov和Mbalance的计算并得到最大误差covcov=10-8？得到计算结果，画出塔内气液相流量，温度，组成分布曲线结束否是是propdataReadList“ABxtry.nb”,NumberxtovMbalanceNewRapABDistillationColumn38,21,0.95,0.95塔设备尺寸及经济指标计算Diameter，EC综合与设计的结果综合与设计的结果（0.90）-设备投资成本的变化设备投资成本的变化综合与设计的结果综合与设计的结果（0.90）-操作费用的变化操作费用的变化综合与设计的结果综合与设计的结果（0.90）-TAC的变化的变化所得的最佳设计所得的最佳设计（0.90）CI=0.24779 106US$OC=1.05025 106US$TAC=1.29804 106US$综合与设计的结果综合与设计的结果（0.95）-设备投资成本的变化设备投资成本的变化综合与设计的结果综合与设计的结果（0.95）-操作费用的变化操作费用的变化综合与设计的结果综合与设计的结果（0.95）-TAC的变化的变化所得的最佳设计所得的最佳设计（0.95）CI=0.283119 106US$OC=1.18606 106US$TAC=1.46917 106US$综合与设计的结果综合与设计的结果（0.99）-设备投资成本的变化设备投资成本的变化综合与设计的结果综合与设计的结果（0.99）-操作费用的变化操作费用的变化综合与设计的结果综合与设计的结果（0.99）-TAC的变化的变化所得的最佳设计所得的最佳设计（0.99）CI=0.333326 106US$OC=1.29203 106US$TAC=1.62535 106US$三个过程设计的对比三个过程设计的对比Product specification0.900.950.99total No.of trays(NT)263245feed location(NF)131725column diameter/m 1.281.351.41heat transfer area of condenser/m2 297.347 334.956 364.088heat transfer area of reboiler/m2 178.152 200.685 218.139column shell/106US$0.2278580.2900380.404328column trays/106US$0.0080270.0109850.016773heat exchangers/106US$0.5074850.5483330.578877energy/106US$yr-11.050251.186061.29203CI(entire process)/106US$0.743370.8493570.999978OC(entire process)/106US$yr-11.050251.186061.29203TAC(entire process)/106US$yr-11.298041.469171.62535三个过程设计的比较三个过程设计的比较产物浓度产物浓度NTNFCIOCTAC0.9026130.247791.050251.298040.9532170.2831191.186061.469170.9945250.3333261.292031.62535三个过程设计的比较三个过程设计的比较产品浓度的提高需要更高的蒸馏塔和更多的操作费用。由于非线性的原因，设备投资与操作费用的增加并不成固定的比例。总结总结本章介绍了工业过程综合与设计的基本原理,即一个多变量混合整数的非线性优化问题。稳态模型的性能可以显著影响综合与设计问题的求解。通过一个理想二元蒸馏塔,显示了其综合与设计的基本原理与特点。作业作业 根据已经建立的理想二元蒸馏塔的稳态数学模型,进行该过程的综合与设计。要求塔顶与塔底的浓度均为0.999。请给出系统的稳态设计及图示。阅读文献阅读文献 1.Douglas,J.M.;Conceptual Design of Chemical Processes,McGraw-Hill,New York(1988).2.Smith,R.;Chemical Process Design,McGraw-Hill,New York(1995).
