化工系统工程-第八章-分离塔序列的综合PPT课件

.,1,第8章分离塔序列的综合,分离操作在化工行业随处可见。由于它的设备投资和操作费用均相对较高，而使得分离过程综合成为人们普遍关心的问题。分离序列综合的目的是要找出节省开支的设备和工艺，提高经济效益。,.,2,常用的分离方法包括蒸发、精馏、萃取、吸收、吸附、结晶、沉淀、络合、反应、膜分离、电泳和层析等。精馏分离在工业生产中应用时间长，研究成熟，也较为经济，因而精馏分离往往是首选的分离方法。对于多组分的分离，需要用多个精馏塔，这些精馏塔的排序对费用往往产生较大的影响。,.,3,8.1精馏塔分离序列综合概况,分离序列的综合始于20世纪70年代。1972年有人提出最优化算法的动态规划法。1973年有人提出直观试探法，1976年有人提出调优综合法，1983年有人提出了有序试探法，在试探法中，试探规则多数是定性的规则，而且规则数目较多，这让初学者和实际工作经验不足者无所适从，因此又有人提出了易分离系数，使部分试探规则定量化1997年北京化工大学施宝昌提出了相对费用函数F，使试探规则定量化的精度得以提高。,.,4,8.2分离序列综合的基本概念,一什么是分离序列的综合指给定进料及进料状况，通过系统化地分析和综合找出能从进料中分离出所要求产品的过程并使总费用最小。该工作包含两方面的内容：1找出最优的分离顺序（序列）和每个分离器的性能。2找出每个分离器的最优设计变量，在每个分离器最优的同时分离系统最优。,.,5,二分离序列综合问题举例例1：用简单塔分离某3组分的混合液，用精馏操作分离，且挥发度由大到小顺序是ABC。这一问题的可能的分离顺序有两种。第一种：第二种：由上例可见，分离序列的综合内容主要是要解决分离序列组合问题。,.,6,三分离序列组合数S的计算设有R个组份需分离成R个单一产品，则分离序列组合总数SR用下式计算：例：有4个组份的混和液待分离，则可能的分离序列组合总数S为：,.,7,ABCD,A,BCD,B,CD,ABCD,AB,CD,B,A,C,D,C,D,ABCD,ABC,D,AB,C,A,B,ABCD,A,BCD,BC,D,B,C,ABCD,ABC,D,A,BC,B,C,.,8,四分离序列中不同流股子群数G的计算,.,9,四分离序列中不同流股子群数G的计算流股子群（相邻流股）是指分离序列中各分离器的进料或产品。在某一分离问题中，可能构成的流股子群数目很多，总的不同的子群数目则由下式计算：例：当R=4(组分数）时则不同子群数目G=10个,.,10,五不重样分离子问题数U的计算,.,11,五不重样分离子问题数U的计算分离子问题：每一个分离器的设计问题称为一个分离子问题。不重样分离子问题：在众多分离序列中构成的分离子问题中相互不重复的子问题。例：R=4(组分数），则,.,12,.,13,83动态规划法,在分离塔序列综合的方法中，最基本也是最原始的最优化方法是穷举法。穷举法:比较每个可能的分离序列方案。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，数学规划法是较好的一个方法，动态规划法是数学规划法的一种。,.,14,84分离度系数有序试探法,所谓试探法实际上就是经验法，它虽然没有坚实的数学基础，但在实际过程综合应用中具有不可忽视的潜力。由于综合分离序列的搜索空间十分庞大，找出最优分离序列十分困难。如果一上来就用严格、系统的方法往往是很难成功的。而使用几个简单的、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。,.,15,经验规则分为四大类:(1)关于分离方法的规则(M类规则)，针对一特定的大量任务，确定最好采用哪一类分离方法；(2)关于设计方面的规则(D类规则)，针对那些具有某个特定性质的分离序列，(3)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；(4)与组成和经济性有关的规则(以下简称C类规则)。表示进料组成及产品组成对分离费用的影响,.,16,直观推断的一般规则,采用严格、系统化的方法对分离序列进行综合是非常困难的，因此通常采用直观推断的方法。对蒸馏序列的综合，主要有以下几条直观推断规则：,.,17,规则1（S2)当关键组分间的相对挥发度接近1时，应该在没有非关键组分存在的情况下进行分离(或定义为:难分离的组分后分离)。因为关键组分间的相对挥发度接近1时，分离是困难的，往往需要较多的塔板数、较大的回流比，因此将增大所需分离费用。,.,18,例：有一个4个组分的待分离混合物，各组分l、2、3、4的摩尔量相等，即FlF2F3F4F，而组分1、2之间的性质差别与组分3、4之间的性质差别相等，即1234。而组分2、3之间性质差别较小，为2312/3。计算比较3种可能的分离序列，由数字说明把难分离的组分放在最后处理的方案的总费用最小。,12342312/3,FlF2F3F4F,.,19,1234,1,234,34,3,2,4,12342312/3,.,20,.,21,.,22,规则2最好将各组分逐个从塔顶馏出，即采用直接序列。逐一馏出可减少冷凝器和再沸器的热负荷，因此降低生产成本。,.,23,规则3(C1)进料中占据分额大的组分应首先分离出去，这样可减少后续分离器的热负荷。(C2)最好采用塔顶馏出物与塔底产物的流量近于相等，此时可减少整个塔系热负荷。举例说明：设进料中组分1、2、3、4摩尔分率相等。,.,24,1234,1,234,34,3,2,4,.,25,1234,1,234,23,2,4,3,.,26,1234,1,12,34,3,2,4,.,27,规则4应将回收率要求很高的馏分放在塔系的最后进行分离。产品纯度要求高，势必需要较多的级数（在回流比变化不大时），如果分离时有非关键组分存在，不仅增加塔内汽、液负荷，也需增大塔径，设备费用和操作费用同时增大。即将高纯度和高回收率的组分放在最后分离可以减小设备尺寸。,.,28,规则5(D1)希望必须产生的产品数目最少，即避免重复得到相同的产品，使分离设备数最少。规则6当使用质量分离剂时，除非其对后继分离过程有利，最好应在下一个分离器中立即回收，以减小后继过程的负荷。,.,29,该法将直观推断规则按重要程度排序，然后按次序使用这些规则，逐步综合出分离序列。有序直观推断规则规则1(M1)当其他情况相同时，最好采用能量分离剂，尽量避免采用质量分离剂。,有序直观推断法,.,30,规则2(M2)避免真空蒸馏和冷冻，考虑用液液萃取代替真空蒸馏。规则3(D1)倾向于最少的产品品种规则4(S1)首先除掉具有腐蚀性、毒性的组分规则5(S2)最后处理难分离组分,.,31,规则6(C1)进料中含量最多的组分首先分离出去。规则7(C2)当组分间性质差别不大时，倾向于塔顶、塔底产品量50/50分离。若不能按50/50分离，则可选择具有“最大易分离系数”处为分离点。,.,32,规则七中提出了易分离系数CES。CES定义式：f塔顶、塔釜摩尔流率比值即或，f恒小于1。两分离组分沸点差T或,.,33,例题,例1一含有5个组分的轻烃混合物，组成如下：,.,34,.,35,求解步骤：第一步：考虑规则一、二而采用常规蒸馏，即用能量分离剂，应避免冷冻以减小能耗，但由于丙烷沸点为零下。故需降温至零下液化后才能进行蒸馏。为降低冷冻负荷，需加压使丙烷沸点升高，同时冷冻。第二步：考虑规则三、四，由于该例中无相同产品的多路排出和易腐蚀有毒组份，故无此问题。,.,36,第三步：考虑规则五，最后处理难分离组份，故BC与DE之间挥发度小，故后分离。第四步：考虑规则六，倾向于塔顶、塔底等摩尔分（50/50）分离，应先分出后，但由于DE间难分离，故不能先分离E。第五步：考虑规则七，由于AB间=2，CD间=2.4，差