工业过程的综合与设计.ppt

1、第三章: 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,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,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： 环境的冲击；投资成本； 操作费用。,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,给出最佳的过程设计； 进行过程的分

2、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,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,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,在F factor为 1 的条件下, 蒸馏塔的的直径 F factor = vVn D = 0.017

3、35(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,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,换热器的费用: Total heat exchanger cost = 7296Sreb 0.65

4、+ 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,Operating Cost (OC) = Qcon(Refrigerant price)24300 + Qreb(Steam price)24300 (10),例子: 一个理想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

5、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,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

6、基本结构,系统综合与设计的经济条件,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,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cov,cov = 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

7、误差cov,cov = 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,propdata,ReadList“ABxtry.nb”,Number,xtov,Mbalance,NewRap,ABDistillationColumn38, 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（0.90）-设备投资成本的变化,综合与设计的结果（0.90） -操作费用的变化,综合与设计的结果（0.90） -TAC的变化,所得的最佳设计（0.90）,CI = 0.24779 106US $ OC = 1.05025 106US

8、 $ TAC = 1.29804 106US $,综合与设计的结果（0.95）-设备投资成本的变化,综合与设计的结果（0.95） -操作费用的变化,综合与设计的结果（0.95） -TAC的变化,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（0.99）-设备投资成本的变化,综合与设计的结果（0.99） -操作费用的变化,综合与设计的结果（0.99） -TAC的变化,所得的最佳设计（0.99）,CI = 0.333326 106US $ OC = 1.29203 106

9、US $ TAC = 1.62535 106US $,三个过程设计的对比,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,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,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,1. Douglas, J. M.