化工系统工程课件-第八章-分离塔序列的综合

(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
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：
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。
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
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。
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、膜离、电 泳和层析等。
群数目很多，总的不同的子群数目则由下式计
算：
G R(R1)
2
例：当4(组分数）时则不同子群数目
=10个
G4*(41) 2
五 不重样分 离子问题数U 的计算
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。
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。
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A B C。这一问题的可
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。
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，
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。
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，
F 1F2F 3F4 F2F 3F4 F2F 3
12
34
23
4F3F2F 1 3 F
/3
1
2
1
2
2
2
3
3
3
4
4
12＝ 34 ＝ 23 ＝ 12/3
3 4
分离费 分 用离点两 进侧 料相 量 间邻 性两 质组 差 F 分 别
F 1F2F 3F4 F2F 3F4 F 3F4
23
12
34
4F2F2F16 F
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。
8．4 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。
能的分离顺序有两种。
第一种：
AA
B
B
CB
C C
第二种： A
AA
BB
B
CC
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。
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
组合总数用下式计算：
SR
[ 2 ( R 1 )]! R ! ( R 1 )!
例：有4个组份的混和液待分离，则可能的分离序
分离费 分 用离点两 进侧 料相 量 间邻 性两 质组 差 F 分 别
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。
12＝ 34 ＝ ＝ F2 ＝ F3＝ F4 ＝F 23 ＝ 12/3
分离费 分 用离点两 进侧 料相 量 间邻 性两 质组 差 F 分 别
F 1F2F 3F4 F2F 3F4 F 3F4
12
23
34
4F3F2F15 F
/3
1
2
3
1
2
2
3
3
3
4
4
4
12＝ 34 ＝
23 ＝ 12/3
4
分离费 分 用离点两 进侧 料相 量 间邻 性两 质组 差 F 分 别
UR(R1)(R1)
6
例：4 (组分数） ，则 U4*3*510
6
SR
[ 2 ( R 1 )]! R ! ( R 1 )!
G R(R1) UR(R1)(R1)
2
6
8．3 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。
列组合总数S为：
S4
[2(4 1)]! 4!(4 1)!
6! 4!3!
5
A B C
D
A
B C D
A
B C
A
D
B
C D
D
A B C
四 分离序列中
不同流股子群 数G的计算
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
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＝ F2 ＝ F3＝ F4 ＝F， 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 12＝ 34 ＝ 。而组分2、3 之间性质差别较小，为 23 ＝ 12/3。
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。