化工过程分析与合成

1、8分离塔序列的综合、引言、分离是化工生产过程中重要组成部分原料的精制、产品的精制、产品浓缩分离在装置投资和操作费用中占相当比例的分离序列的综合主要目的：选择最合理的分离方法，确定最佳的分离序列，降低各费用，分离的主要方法蒸发、精馏、提取、吸收， 在吸附、结晶、沉淀、络合、反应、膜分离、电泳和色谱等提取精馏、反应精馏、膜吸收、结晶提取中，精馏过程比较成熟、最广泛，应用了8.1精馏塔分离序列的综合概况，自20世纪70年代起，许多算法均采用计算机程序开发的基于经验总结的规则，采用优化算法的动态规划法提出了很大的实用价值Rudd等(1973 )，Nishida(1981 )的直观发现方法。 Nasdg

2、ir(1983 )提出了有序的试探法Stephanopoulos (1976 )提出的调谐集成法，Rathor等(1974 )提出的具有能量集成的多分离系统集成方法，启发式规则而且，北京化学工业大学的施宝昌等人(1997 )提出了相对费用函数f，以提高启发式规则量化的精度，其中一些启发式规则不适合初学者和实际工作经验不足的人从Nadgir中提出分离系数。 8.2是分离序列的综合基本概念，分离序列的综合是两个层次的问题，在优化塔系的同时还必须优化各塔的设计8.2.1简单塔(Simple Column) (1)一个供给分离成两个产品(2)各成分只出现在一个产品中， 尖锐分离(Sharp Separ

3、ation) (3)塔底采用重沸器，塔顶采用全凝固器，(a )顺式工艺(Direct Sequence )，轻成分在塔顶一个一个地引出。 (b )非直接序列想分离的混合物中含有很多成分时，可能的分离序列数非常大，关于分离方法的物性值成分的沸点(蒸馏)、溶解度(提取)、固体粒度(筛分)、成分挥发度(蒸馏、提取)或(ABCD ) 根据，8.2.3可能的分离序列数，使用s种分离方法(简单锐化分离)将含有r成分的混合物分离成r成分的产品，分离序列数s :8.2.3的分离子组，在分离多成分供给时，产生多个子组也称为邻接的线束，这可以通过算术级数和得到各分离器的供给或整个最终产品的不同的离子问题数(包括供

4、给) g，第一个分离器的供给、后续的分离器的供给、产品，表8-1对于4个分量供给的子组，是8.2.5可能的离子问题， 各分离子问题与实际的分离单元对应的分离序列是根据离子问题的不同组合形式的r成分的分离问题、包含的离子问题、表8-2 4成分供给的离子问题、第一个分离器的离子问题、后面的分离器的离子问题、表8-3采用单纯的分离方式时，分离器、分离序列、子群和离子问题的数量、 应分离的组得分r增大的情况下子组数g和分离子问题数u也增大，但序列数s急剧增加的如果不仅仅是一个分离方法，则上述s、g、u的值增加，因此，多成分分离序列的综合面临着解决很多组合问题，r增加对于分离序列数s和分离子问题数u :

5、8.2.6的目标生成物组，目标生成物有时不是混合物的纯粹的成分，而是目标产品组的成分在进料流成分的顺序表中是邻接成分的情况下，可以将产品组的数量作为组分数，根据目标产品组的成分不是邻接成分的情况8.2.7判别指标、分离序列被统合，需要经常进行比较，选择最佳的离子问题来构成分离序列。分离序列各单元设备的最佳设计参数下的年费用(设备折旧费操作费)作为判别指标的易分离系数(CES )和分离难易度系数(CDS )作为判别离子问题的最佳指标，8.2.8分离序列的综合方法、数学计划法、探矿法和调整法和数学计划法和探矿法在无初始方案的分离序列综合探矿法中其中很多必须与调谐法结合，必须派生出几种方法。 例如，

6、调整法的调整法只适用于初期方案中的综合问题。 早期方案的产生取决于探矿法和现有生产流程的调整法，更适合旧工厂的技术改造和潜在创新，8.3动态规划法，最基本最原始的优化方法是贫困法，这种方法很费时间，效率最低，小组分数大的情况下，可行的方案非常多，计算工作量不能实施数学计划法来减少计算工作量的动态计划法是数学计划法的一种，动态计划法是解决多阶段决策过程的优化问题的一种方法，多阶段决策过程可以根据该过程的特殊性将其分为几个阶段，需要在所有阶段进行决策， 为了使整体过程得到最佳效果，基于动态规划原理，如果一个分离序列是最佳的，则合并该分离序列的各阶段的决策也一定可以看作是最佳的综合分离序列问题，为了

7、处理r分量的供给，要采用采用单纯尖锐分离器的分离序列， 因为每次选择需要R-1个的一个分离器，就可以把该分离序列的综合问题看作是R-1阶段的决定过程、四分量分离器(三个)、三分量分离器(四个)、二分量分离器(三个)、四分量分离序列中的离子问题， 分离序列树找到相当于一个三阶段的决定过程的最佳策略，使系统从初始状态转移到终止状态的转移策略之一，与系统的初始状态和初始决策无关，剩下的决策对于初始状态和初始决策一起发生的第一阶段状态，必须构成最佳策略， n步决策过程目标函数是Xk-k步决策的结束状态或k 1步决策的开始状态Uk-k1步控制或决策C(Xk，uk )-k1步费用函数，xk，uk函数，Vj

8、(Xi )从Xi状态出发，j步决策在动态规划的最佳原理中，S(XN )表示以结束状态的差异反映的费用函数值，且通常，结束状态为一个，S(XN)=0，且例如，对于第三阶段确定过程(K=2，N=3)，v1(v1(VII )=C2 对于第二阶段的确定过程(K=1，N=3)，通过对第一步的确定过程(K=0，N=3)应用递归公式，获得V1(X2 )，V2(X1 )，最后V3(X0 )，即，目标函数的最佳值。 然后，通过反转上述计算，可以求出各阶段的决定，即最佳的分离序列，动态计划是隐藏列举法，是比网罗法更有效的算法。 这是一种比原始搜索空间小得多的空间包罗性算法。 由所有不同的分离器组成的空间包括是一种

9、不能在由可执行的算法的所有可分离序列组成的空间内包括的算法。 整合最佳分离序列的动态规划法，要详细计算各分离序列中使用的所有不同分离器的总费用，计算工作量也相当大。 供给由丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷五种成分构成的轻烃混合物，其供给速度为907.2kmol/h，各组成分的摩尔分率如下：例如用动态规划法试着将该分离系列合并，解：将五种成分混合物简单的锐需要总共40个分离器，总共有14个不同的分离序列；20个不同的分离器可以认为它是四级决策过程。过程模拟可以详细地计算此时20个不同的分离器的费用，基于递归公式，在第四阶段的确定过程中求出最佳值函数是：基于递归公式，在第三阶段的确定过程中求出

10、最佳值函数是：在第二阶段的确定过程中求出最佳值函数是： 在第一阶段的决定过程中求最佳值函数是：反转最佳序列的年总费用为4.1571105元/年的各步的最佳值函数，能求出各步的最佳决定，除了动态规划法以外，常用的数学规划法还有分支边界法、秩序分支边界搜索法、 秩序搜索法等动态计划法需要检查所有的离子问题，但分支界限法无需搜索所有的离子问题就能找到最合适的分离序列，从而进一步缩小搜索空间。 秩序分支搜索法和分支边界法很相似，搜索空间也是由部分离子问题构成的。 区别在于有几个地方简化了。 秩序搜索法是利用搜索费用函数预测完全分离序列的费用下限，通过比较进行取舍，进一步缩小了搜索空间的8.4分离度系数

11、秩序搜索法，搜索法实际上是经验法是综合分离序列问题一个两阶段的决定问题，解决复杂性。 因此，可以使用一些简单普遍性的经验法则来生成最接近的序列，并对其进行慎重评价以确定最终的分离序列，经验法则分为四类，是关于分离方法的规则(m级规则)。 主要是针对某个特定的大量任务，决定好的分离方法的设计上的规则(d类规则)。 决定了具有特定性质的分离序列最好采用与成分性质相关的规则(s级规则)。 为了分离的成分的性质上的差异而提出的规则是关于组成和经济性的规则(c级规则)。 显示了供给组成和产品组成对分离费用的影响，8.4.1经验法则m-1在所有分离方法中优先采用了使用能量分离剂的方法(如通常精馏方法)。

12、接着，需要使用质量分离剂的方法(例如提取精馏、液液提取的方法)时，在使用了质量分离剂塔之后立即分离出该质量分离剂，而不能用质量分离剂的方法分离出其他质量分离剂。 如果使用质量分离剂的分离方法，则可以增大分离因子(例如增大相对挥发度)，或者如果使用该分离方法，则可以直接得到多产品，但是如果使用其他分离方法无法得到的情况下，如果使用质量分离剂的分离方法，则可以使用m01.95m-质量分离剂的分离方法，则可以减轻， 重要成分的相对挥发度0若使用通常的精馏方法，可以考虑轻、重要成分的相对挥发度、8.4.2经验规则M2、温度和压力不会脱离环境条件。 如果必须偏离的话，倒不如向高温或高压方向偏离，尽量不向

13、低温低压方向偏离。 尽量避免真空精馏和制冷操作。 在不得不进行真空蒸馏的情况下，可以考虑用适当的溶剂的液体萃取来代替。 在需要冷冻的情况下(例如，分离挥发度高的低沸物，从塔顶取出产品时)，可以考虑吸收等廉价的替代方案。 8.4.3经验规则D1、产品集合中元素最少的分离序列最有利的产品包含多个多产品时，必须选择产生最少产品集合的过程。 由于产品集合越少，隔离序列中的分离器的数量也越少，所以总费用也可能较低。 8.4.4经验法则S1为了避免后续塔系设备的腐蚀和安全操作，首先必须去除腐蚀性和危险性的成分。 8.4.5经验法则S2应该将接近1的划分置于隔离序列的末尾。 即，在不存在重要成分的情况下，必

14、须分离该重要成分。 精馏过程所消耗的净功与级间流量成正比，与冷凝器温度的倒数和釜温度的倒数之差成正比。 因此，必须使山顶温度和釜温度之差大的塔尽量不要具有大的等级间流量。相反，必须使大等级间流量的塔不具有大的顶级釜温度差，净消耗电力不达到2个数的乘积。 等级间流量大致与(-1)-1成比例，顶罐温差由塔顶塔釜产物决定。 因此，接近1时，段间流量变大，如果该塔没有不重要的成分，就可以将顶罐的温度差保持在最小。 相反，大的情况下，可以允许顶罐温差大，8.4.6经验法则C1首先除去含量最多的成分，可以避免该成分在后续塔系中多次蒸发凝结，减少后续塔系的负荷，8.4.7经验法则C2，等摩尔塔顶馏出物的摩尔

15、数远远少于塔釜产品的摩尔数时，精馏段的操作线比提取段的操作线更接近对角线，精馏段的有效能损失较大。 相反，如果塔釜制品的摩尔数远远少于塔顶馏出物的摩尔数，则馏出段的有效能量损失变大，在实用时如何判断哪个切削接近等摩尔切削，另外具有合理的相对挥发度的数值？ -采用容易分离的系数(CES )、-产品的摩尔流量的比率，B/D和D/B的比率在1以下的数值b、d分别想分离塔釜、塔顶产品的摩尔流量两种成分的沸点差。 或者：8.4.7经验法则C2，等摩尔分割是最有利的，首先CES的数值进行最大的分割，总结，这些经验法则在实际应用中经常发生冲突。 一个原因使得应该使用一种分离器和分离布置并由于另一原因使用另一

16、种分离器和分离布置的经验原则的真正价值是减少要评估的不同分离布置的数量以删除更多与上述经验原则基本矛盾的分离布置。 /含有5种成分的轻烃混合物的组成如下。 采用常规蒸馏，合并适当的分离序列，将这五组分离，求出纯成分，解：CES:(以a为例)由该分离点的所有系统容易分离的系数，1、M1、M2，由于采用常规蒸馏的轻成分沸点低，为了减轻冷冻负荷，采用加压下冷冻，但不使用S2，在成分d、e之间难以分离，是因为其间的成分的相对挥发度最小，=1.25，所以应该最后进行分离，为了C1、成分e的含量多(占0.35 )，应该先进行分离，但是S2优于C1，所以成分e 考虑到有分离为50分钟的倾向的CES值，ABC

17、/DE，即c、d之间分离点适当，在此情况下为0.45/0.55分钟，CES=114.5最大为6，现在有必要考虑到a、b、c的分离方案的选择，对各分离点的CES值进行比较。 使用“通用精馏模拟包”，经过大量的模拟计算和曲线拟合，得到了相对费用函数f，F=min(D/W，W/D) D塔顶摩尔流量w -塔釜摩尔流量t两分离成分的沸点差，如丙烷、异丁烷、 供给由正戊烷5种成分构成的轻烃混合物，其供给流量q为907.2kmol/h，各组分的常压沸点和摩尔分数、各相邻成分的t、各切割点处的f和f值如下表所示，解：根据相对费用函数的f值判别，c和d之间的f值最小，因此即ABC/DE ABC在三组问题中，以相同的方法判别最低费用拆分点是a、