化工过程分析与合成-第8章分离塔序列的综合2.ppt

8 8 分离塔序列的综合分离塔序列的综合原料的精制，原料的精制，产品的提纯，产品浓缩产品的提纯，产品浓缩序序 言言分离是化工生产过程中的重要组成部分分离在装置的投资及操作费中占相当大的比例 分离序列综合的主要目的：分离序列综合的主要目的：选择最合理的分离方法，确定最优的分离序列，选择最合理的分离方法，确定最优的分离序列，以降低其各项费用以降低其各项费用分离的主要方法分离的主要方法蒸发、精馏、萃取、吸收、吸附、结晶、蒸发、精馏、萃取、吸收、吸附、结晶、沉淀、络合、反应、膜分离、电泳沉淀、络合、反应、膜分离、电泳和和层析层析等等萃取精馏、反应精馏、膜吸收、结晶萃取萃取精馏、反应精馏、膜吸收、结晶萃取其中：其中：精馏过程较为成熟，使用最广精馏过程较为成熟，使用最广8.1 精馏塔分离序列综合概况精馏塔分离序列综合概况始于始于2020世纪世纪7070年代，许多算法均按计算机年代，许多算法均按计算机程序开发的要求进行程序开发的要求进行HendyHendy等等(1972)(1972)采用最优化算法的动态规划法采用最优化算法的动态规划法根据经验总结的规则具有很大的实用价值根据经验总结的规则具有很大的实用价值 RuddRudd等（等（19731973）、）、Nishida(1981Nishida(1981)提出了直观试探提出了直观试探法；法；Nasdgir(1983Nasdgir(1983)提出了有序试探法；提出了有序试探法；Stephanopoulos(1976Stephanopoulos(1976)提出的调优综合法，提出的调优综合法，RathorRathor等（等（19741974）提出的带有能量集成的多元分离）提出的带有能量集成的多元分离系统综合的方法系统综合的方法试探法中，试探规则多是定性的规则，而试探法中，试探规则多是定性的规则，而且规则数目较多，让初学者和实际工作经且规则数目较多，让初学者和实际工作经验不足者无所适从验不足者无所适从NasdgirNasdgir提出分离系数，使部分试探规则定提出分离系数，使部分试探规则定量化量化北京化工大学施宝昌等（北京化工大学施宝昌等（19971997）提出了相）提出了相对费用函数对费用函数F F，使试探规则定量化的精度得使试探规则定量化的精度得以提高以提高8.2 分离序列综合的基本概念分离序列综合的基本概念 分离序列的综合是一个两层次的问题，在分离序列的综合是一个两层次的问题，在塔系最佳化的同时，每个塔的设计也要最塔系最佳化的同时，每个塔的设计也要最佳化佳化 一是找出最优的分离序列和每一个分离器一是找出最优的分离序列和每一个分离器的性能；的性能；二是对每个分离器找出其最优的设计变量二是对每个分离器找出其最优的设计变量值。值。8.2.1 简单塔（简单塔（Simple Column）(1)一个进料分离为两个产品(2)每一个组分只出现在一个产品中，即锐分离（Sharp Separation）(3)塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器几个简单概念几个简单概念(a)直接序列（顺式流程，Direct Sequence），轻组分在塔顶逐个引出。(b)非直接序列(Indirect Sequence)当所需分离的混合物包含较多组分时，则可能的分离序列数会非常之大BCAABCBCABABCCBA（a）(b)8.2.2 8.2.2 顺序表（顺序表（顺序表（顺序表（Ranked ListRanked List）依据是与分离方法有关的物性值依据是与分离方法有关的物性值 组分的沸点（蒸馏）、溶解度（萃取）、组分的沸点（蒸馏）、溶解度（萃取）、固体粒度（筛分）、组分挥发度（蒸馏、固体粒度（筛分）、组分挥发度（蒸馏、萃取）萃取）或或 （ABCDABCD）8.2.3 8.2.3 可能的分离序列数可能的分离序列数可能的分离序列数可能的分离序列数DACB(a)CDBA(b)ACDB(c)BACD(d)用 S 种分离方法（简单锐分离），把含有 R 个组分的混合物分离成R个纯组分的产品，分离序列数S:ACBD(e)8.2.4 8.2.4 分离子群分离子群分离子群分离子群(Subgroups)Subgroups)分离多组分进料时，产生一些子群，也称相邻的流股，其为各分离器的进料或最终产品总的不同的分离子问题数（包括进料）G可由算术级数求和得到第一个分离器的进料后面分离器的进料产品表表8-1 8-1 对于对于4 4组分进料的子群组分进料的子群8.2.5 8.2.5 可能的分离子问题可能的分离子问题可能的分离子问题可能的分离子问题(Separation Separation SubproblemSubproblem)每个分离子问题与一个实际分离单元相对应，每个分离子问题与一个实际分离单元相对应，分离序列是分离子问题的不同组合形式分离序列是分离子问题的不同组合形式对于对于R个组分的分离问题，所含的分离子问题个组分的分离问题，所含的分离子问题表表8-2 4组分进料的分离子问题组分进料的分离子问题对于第一个分离器的分离子问题对于后面分离器的分离子问题DCBA表表8-3 对于采用一种简单分离方式，分离器、对于采用一种简单分离方式，分离器、分离序列、子群和分离子问题的数目分离序列、子群和分离子问题的数目待分离组分数R增大时，子群数G和分离子问题数U也随之增大，而序列数S骤增假如采用的分离方法不只是一种，则上述S、G、U值将增加的更快所以多组分分离序列的综合面临着要解决很大数所以多组分分离序列的综合面临着要解决很大数目的组合问题目的组合问题随R的增加，对分离序列数S和分离子问题数U：8.2.6 8.2.6 目标产物组目标产物组目标产物组目标产物组有时目标产物是混合物，而不是纯组分如果目标产物组的组分在进料流组分顺序表中是相邻组分，则可把产物组数作为组分数如果目标产物组中的组分不是相邻组分，则要根据具体情况而定图图8-3 把（ABCD）分离成（AB）和（CD）图图8-4 把（ABCD）分离成（A）、（C）、（BD）的分离序列8.2.7 8.2.7 判别指标判别指标判别指标判别指标/分离序列综合，需要不断进行比较，选择最优的分离子问题构成分离序列/分离序列中各单元设备在最优设计参数下的年度费用（设备折旧费+操作费）可以作为判别指标/易分离系数（CES）和分离难度系数（CDS），都可以用来作为判别分离子问题的优化指标8.2.8 8.2.8 分离序列的综合方法分离序列的综合方法分离序列的综合方法分离序列的综合方法数学规划法数学规划法，探试法探试法和调优法调优法数学规划法和探试法适用于无初始方案下的分离序列综合探试法得到的分离序列有时是局部最优解或近优解。其中大多数必须与调优法结合，派生一些方法，如探试调优法调优法只适用于有初始方案下的综合问题。初始方案的产生可依赖于探试法或现有生产流程调优法更适于对老厂技术改造和挖潜革新8.3 动态规划法动态规划法最基本也是最原始的最优化方法是穷举法这种方法耗时费力，效率最低，当组分数较大时，可行方案极多，计算工作量太大，致使无法实施为了减少计算工作量，数学规划法是较为了减少计算工作量，数学规划法是较好的一个方法，动态规划法是数学规划好的一个方法，动态规划法是数学规划法的一种法的一种除动态规划法以外,常用的数学规划法还有分分枝界限法、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动态规划法需要检验全部分离子问题，而分枝界限法不必搜索全部分离子问题便可找到最优分离序列，从而使搜索空间进一步缩小。有序分枝搜索法与分枝界限法十分相似，搜索空间也是由部分分离子问题构成。不同点在于某些地方做了一些简化。有序搜索法利用探试费用函数预测完整分离序列的费用下限，通过比较后予以取舍，进一步缩小了搜索空间8.4 分离度系数有序探试法分离度系数有序探试法所谓探试法实际上就是经验法由于综合分离序列问题是一个两层次决策问题，求解复杂。故可以使用几个简单的、但带有普遍性的经验规则产生一些接近最优的序列，然后再对它们进行仔细的评价以确定最终的分离序列经验规则可以分为四大类经验规则可以分为四大类关于分离方法的规则（M类规则）。主要是对某一特定的大量任务，确定较好的分离方法关于设计方面的规则（D类规则）。决定最好采用那些具有某个特定性质的分离序列与组分性质有关的规则（S类规则）。根据欲分离组分性质上的差异而提出的规则与组成和经济性有关的规则（C类规则）。表示了进料组成及产品组成对分离费用的影响8.4.1 8.4.1 经验规则经验规则经验规则经验规则M1M1在所有分离方法中，优先采用使用能量分在所有分离方法中，优先采用使用能量分离剂的方法（例如常规精馏方法）。其次离剂的方法（例如常规精馏方法）。其次才考虑采用质量分离剂的方法（例如萃取才考虑采用质量分离剂的方法（例如萃取精馏、液精馏、液-液萃取的方法）液萃取的方法）若必须采用质量分离剂方法时，则在使用若必须采用质量分离剂方法时，则在使用质量分离剂的塔后应马上将这个质量分离质量分离剂的塔后应马上将这个质量分离剂分离出去，而且不准用质量分离剂的方剂分离出去，而且不准用质量分离剂的方法来分离另一个质量分离剂。法来分离另一个质量分离剂。8.4.2 8.4.2 经验规则经验规则经验规则经验规则M2M2避免温度和压力过于偏离环境条件。如果必须偏离，也宁可向高温或高压方向偏离，而尽量不向低温、低压方向偏离。即尽可能避免采用真空精馏及制冷操作。如果不得不采用真空蒸馏，可以考虑用适当溶剂的液-液萃取来代替。如果需要冷冻（如分离具有高挥发度的低沸物，产品从塔顶采出时），可以考虑吸收等便宜些的替代方案。8.4.3 8.4.3 经验规则经验规则经验规则经验规则D1D1产品集合中元素最少的分离序列最有利当产品包括多个多元产品时，应当选择能产生最少产品集合的流程。因为产品集合越少，分离序列中分离器的数目也越少，因此总费用也可能较低8.4.4 8.4.4 经验规则经验规则经验规则经验规则S1S1为了避免后继塔系设备的腐蚀及安全为了避免后继塔系设备的腐蚀及安全操作，首先应移除腐蚀性和危险性的操作，首先应移除腐蚀性和危险性的组分组分8.4.5 8.4.5 经验规则经验规则S2S2应把接近1的分割放在分离序列的最后面，即要在没有非关键组分存在下分离这一对关键组分8.4.6 8.4.6 经验规则经验规则经验规则经验规则C1C1首先移除含量最多的组分首先分出了含量多的组分，就可以避免这个组分在后继塔系的多次蒸发、冷凝，减少了后继塔系的负荷8.4.7 8.4.7 经验规则经验规则经验规则经验规则C2C2等摩尔分割最为有利等摩尔分割最为有利当塔顶馏出物摩尔数和塔釜产品的摩尔数当塔顶馏出物摩尔数和塔釜产品的摩尔数相同时，精馏段的回流比和提馏段的蒸发相同时，精馏段的回流比和提馏段的蒸发比可以得到较好的平衡，因此费用可能最比可以得到较好的平衡，因此费用可能最低。低。若塔顶馏出物的摩尔数远小于塔釜产品的若塔顶馏出物的摩尔数远小于塔釜产品的摩尔数时，精馏段的操作线要比提馏段的摩尔数时，精馏段的操作线要比提馏段的操作线更接近对角线，精馏段的有效能损操作线更接近对角线，精馏段的有效能损失会很大。失会很大。反之，若塔釜产品的摩尔数远小于塔顶馏反之，若塔釜产品的摩尔数远小于塔顶馏出物的摩尔数时，提馏段的有效能损失会出物的摩尔数时，提馏段的有效能损失会很大很大小结小结上述这些经验规则在实际应用中常常互相上述这些经验规则在实际应用中常常互相冲突。根据某一理由该用某一型式的分离冲突。根据某一理由该用某一型式的分离器和分离序列，而根据另一理由又该用另器和分离序列，而根据另一理由又该用另一型式的分离器和分离序列一型式的分离器和分离序列上述经验规则的真正价值在于减少需要评上述经验规则的真正价值在于减少需要评比的不同分离序列的数目，删去大量与上比的不同分离序列的数目，删去大量与上述经验规则根本矛盾的分离序列述经验规则根本矛盾的分离序列8.5 相对费用函数法相对费用函数法1997年北京化工大学施宝昌等提出该方法是在有序探试法的基础上，用非线性函数F代替了线性函数分离容易度系数CES。使用“通用精馏模拟软件包”，经过大量的模拟计算和曲线拟合，得到相对费用函数F8.6 分离序列综合过程的评价分离序列综合过程的评价从理论上说，动态规划的计算结果可靠性最高，但其计算工作量十分庞大，工作效率很低；分离度系数法计算过程简单，但往往偏离最佳效果；相对费用函数法，保持了计算过程简单，而结果相对比较精确的优点三种方法的比较三种方法的比较8.7 调优法调优法利用动态规划法、探试法可以综合出较好的初始流程在初始流程的基础上，要进一步考虑塔序列中每一个塔顶操作参数，尤其是操作压力的确定，以及换热网络的匹配，甚至部分地考虑其它替代的分离方案在此过程中经常使用直觉调优法，使开发的分离流程进一步具有实用价值所谓调优法，就是按照一定的调优规则和策略对某一初始分离序列，进行逐步改进而搜索最优分离序列的一种方法 建立初始分离序列 确定调优规则 制定调优策略8.8 复杂塔的分离顺序复杂塔的分离顺序前述简单分离顺序是传统的分离方案。尽管经验法和更严格的塔序综合技术可确定较好甚至是最优的塔序，热能的消耗仍然是较大。基于节能和热能综合利用的考虑，在简单分离塔原有功能的基础上，加上多段进料、侧线出料、预分馏、侧线精馏、侧线提馏和热偶合等组合方式，构成复杂塔及包括复杂塔在内的塔序，力求降低能耗