化工过程分析与合成6

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• 间歇过程既不是连续过程也不是离散过程。但 具有连续过程和离散过程的特点
• 间歇与连续过程在有关部门的应用情况
工业部门 间歇过程/% 化工 食品 医药 金属 玻璃及陶瓷 造纸 45 65 80 35 35 15 操作方式 连续过程/% 55 35 20 65 65 85
6.1.1
间歇化工的特点
• 例:有四种产品A、B、C和D需要用四台间歇设备Ⅰ、
Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ按一定的顺序进行加工
对产品 的原料 A B C D 到厂的具 体时间 8:30 8:45 8:45 9:30 加工次序和各间歇设备上的加工时间(min) Ⅰ(60) Ⅱ(75) Ⅲ(5) Ⅳ(90) → → → → Ⅱ(30) Ⅲ(3) Ⅱ(15) Ⅰ(1) → Ⅲ(2) → Ⅳ(5) → Ⅰ(25) → Ⅳ(10) → Ⅰ(10) → Ⅳ(30) → Ⅱ (1) → Ⅲ (1)
6.2.1 混合过程
• 操作目标是:混合后产物流 中组分A的浓度CA和温度T符 合规定要求 • 由于是二元体系,确定了一 种组分的浓度,另一组分浓 度也就确定了。因此,此例 中对B组分的浓度不必另行 考虑
根据过程的特征和操作目标,可以确 定过程的状态变量为:
• 槽中液位h • 反应混合物中组分A的浓度CA • 混合物的温度T
• 顺序地从工厂得到两批产品之间的时间间隔称 为“限定循环时间(LCT)”,也称为“批间 隔”,记为TL。
• 若间歇级j的循环时间等于TL,则该间歇级构 成了间歇操作过程的“瓶颈”,因此把它称为 “时间限制级”。
• 在同一个间歇级中可能有多台平行操作设备, 它们可以同步或异步方式操作。 • 所谓异步操作是指第j个间歇级有mj台相同设 备,在不同时间交替加工第j-1级来的不同物 料。这时该间歇级的循环时间为该级中一台设 备循环时间的1/mj。 • 若将第j-1级来的同一批物料分配在第j级的mj 个平行设备中同时加工,则称这些平行单元为 “同步操作”。此时间歇级j的批量为该级中 一台设备批量的mj倍
非覆盖式操作 • 限定循环时间和一批进料完全通过此过程 的停留时间TR相等
覆盖式操作 • 过程的限定循环时间或批间隔,取决于具 有最大级循环时间的限制级即时间限制级
异步覆盖式操作 • 过程的限定循环时间或批间隔,取决于具 有最大级循环时间的限制级即时间限制级
6.2
过程动态模型及模拟
• 所有间歇操作过程都是非稳态或动态过程。 • 对间歇过程的建模要求,比对连续过程中由于 扰动所产生的动态过程更严格 • 间歇过程的模拟可用来了解过程中各参数随时 间的变化,以确定此间歇单元过程的操作时间 和最适宜操作条件 • 间歇过程的基本操作单元有:加料、反应、冷 却、加热、混合、过滤、精馏、干燥、溶剂萃 取和结晶等
四产品四设备问题的最优化时间表
1. 时间表问题的主要假设、符号说明和目 标函数
• 若有n个产品{J1,J2,…,Jn},需要在m台间歇设备{M1, M2, …,Mm}上进行加工,用Oij表示第i个产品用第j台 设备处理。
• 在排序理论中将产品视为“作业(Job)” ,而将设备视 为“处理器(Processor)”
所有产品的设备顺序相同,而且现在还限制搜索对各 台设备来说产品顺序也是相同的时间表。故时间表完 全由数字1,2,„,n的单一的排列所规定。
F:多产品过程(Flowshop)情况,即对所有产品的设
备顺序相同。 G:一般的多目的过程(Jobshop), 在这种情况下对技 术约束的形式没有限制 B: 指目标函数,即用此目标函数或准则来估计时间表, 它可取前面讨论过的任何一种形式。 • 例如n/2/F/Cmax 是指n个产品,2台设备,多产品过程 问题,在时间表的建立中以总生产时间最少为目标函 数
• 间歇过程必须对整个生产过程,进行有效的排 序或进行生产时间表安排。
• 由于间歇过程的柔韧性和弹性,它适合于市场 供求不稳定的产品的生产。连续过程则适合于 市场供求稳定的产品的生产。对于市场需求量 很大的产品,其初始阶段一般也是用间歇过程 生产的
6.1.3
间歇过程基本概念
• 间歇过程的设备
单纯的间歇设备(TBU) 半连续设备(SCU) 中间存贮设备(IS)
(h) 可以有闲置的设备。 (i) 没有一台设备能同时进行两个操作。 (j) 设备不会发生故障,对整个时间表期间是有效 的。 (k) 技术约束是事先知道的,且在操作过程中是不 变的。 (l) 以下物理量,即:产品数、设备数、加工时间、 就绪时间和对规定一个特定的问题所需的全部其它 物理量,是已知的,而且是恒定不变的。
dCA 1 [ F1 (C A1 C A ) F2 (C A2 C A )] dt hA
能量衡算
• 若取液态纯A和纯B为基准物态,0℃为基准温度,则 物流i的焓可表示为 F H i Fi C piTi i C Ai H Si
• 系统的能量衡算方程可列出
• 混合过程可望在良好的控制下进行,以至产物 流浓度CA的变化不大。在此条件下,Δ HS可以 假定为常数。若再假定Cp1=Cp2=Cp
6.3.2 简单多产品和多目的间歇过程的 最优时间表的计算规则

间歇化工过程
前言
• 按最终产品的输出形式,工业加工过程可分为: 连续、离散和间歇过程 • 间歇过程在化工生产和人们日常生活中占有重 要的地位 • 精细化工、生物化工等高技术密集和知识密集 的新兴产业 • 广泛用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑 剂、抗氧剂、染料和涂料等产品生产
历史
• 30年代以前,绝大多数化工过程采用间歇操作, 自动化水平低,劳动强度大,而且产品质量不 稳定 • 向连续化生产过渡 • 80年代以来,从商品化学品生产转向专用的功 能化学品生产;从大规模过程转向小规模的具 有弹性的过程;从连续加工转向间歇加工;从 过去靠价格竞争转向现在靠质量竞争;从过去 靠投资来推动发展转向靠信息来推动发展等等
(d) 不能中途放弃,各产品必须被加工到完成。 (e)加工时间与时间表无关,设备调整到正常状态 所需要的时间与操作次序无关;在两台设备之间输 送产品的时间可忽略。 (f) 允许有中间贮罐,产品可等待到下一台要用的 设备空出来。但在有的问题中被加工的产品必须连 续地从一个操作到另一个操作。 (g) 各类设备只有一台,即不允许在产品的加工中 选择设备。此假设与前面介绍的用两台同步或异步 操作的设备,来消除尺寸上的瓶颈或循环时间上的 瓶颈是矛盾的。
主要假设
(a) 各个产品是一个实体。尽管此产品可承受不同 的操作,但不能同时进行同一产品的两个操作。因 此,在我们的讨论中不能有这样的情况,即同时生 产几种中间体,然后再将它们掺合成最终的产品。 (b) 没有优先问题。各个操作一旦开始以后,必须 在这台处理器加工直到完成规定的操作。 (c)各产品有m个不同的操作,在每一台设备上完成 一个操作。不允许在同一台设备上对某一产品加工 两次。同样,应坚持在每一台设备上加工各个产品, 产品不允许跳过一台或多台设备。
• 技术密集性 • 动态性 • 多样性 • 柔韧性 • 不确定性
6.1.2
间歇过程与连续过程的比较
• 动态特性是间歇过程的本质,而连续过程的本质 是稳态操作 • 在间歇过程中,原料必须按配方规定的加工任务 和顺序,在合适的设备中进行加工。在连续过程 中,原料连续加入,各加工任务同时进行
• 通过详细的系统分析,可找到连续过程的瓶颈问 题,而间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而 改变。
• 间歇过程的分类
根据生产产品的数量
单产品厂
多产品厂
多装置厂
多目的厂
根据生产流程的结构
单流程结构
多流程结构
网络流程
• 间歇过程的操作方式 • 间歇设备或间歇级的基本操作顺序是:进料、 加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进料、进 料,构成了一个操作循环。 • 在间歇j独立操作过程中,某台设备加工两批 物料的时间间隔称为“该设备的循环时间”, • 整个间歇级加工两批物料的时间间隔称为“间 歇级j的循环时间”。
• 生产能力LP是指单位时间产物Ai的生产量。间歇操 作反应器的LP是基于整个反应周期的持续时间t2的 生产量计算的,t2包括达到预期转化率所需的时 间tR和反应器装量、卸料、清洗、加热和冷却所 需辅助时间ta
• 因为X=(ni,0-ni)ห้องสมุดไป่ตู้ni,0,故有
• 通过将表达式X/(tR+ta)对tR求导数,并设为零, 即可求解。其结果经变换后为
• 整理可得
6.2.2 间歇、半连续反应过程的模型、 模拟和优化
1. 间歇操作反应器 • 对于间歇操作的理想搅拌反应器,可以认为反 应混合物是均匀的,也就是说既不出现温度梯 度也不出现浓度梯度 • 质量衡算:
• 与环境交换的热量:
Q U A (Tw T )
• 由一般热量衡算式可得:
• 间歇过程中的设备尺寸的设计并不是很精确的 (能够用来生产多个产品)。 • 连续过程中的安全系统,主要是降低系统的停 车时间。间歇过程不需要。
• 间歇过程通常为小批量、高附加值的化学品而 设计的,一个生产周期只能生产一批产品。连 续过程通常是为需求量很大的特定产品而设计 的,原料连续加入,产品连续排出。
可能的方案: 1.按产品次序,一个产品加工完成后再加工另一个。缺 点是一些设备的闲置时间过长。 2. 交叉使用各台设备。
• 可能的时间表
间歇 设备 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 第一 A B C D 加 工 第二 D C B A 次 序 第三 C A A C 第四 B D D B
• 表中遵循了一个约束条件,即各产品均有它自己的加 工次序。在排序理论中称表中的加工次序为“技术约 束”,与此技术约束相容的时间表为“可行时间表”, 反之为“不可行时间表”。
• 将转化率对反应时间作图,则可产生最佳转化率
• 在已知动力学的情况下,随着准备时间的增加, 为了使反应器的生产能力最大,必须提高转化率
6.3
6.3.1
间歇过程的最优时间表
时间表问题
• 时间表问题或称生产调度,是间歇生产安排中的重要 部分。 • 生产时间表的开发是间歇过程优化的主要问题。 • 时间表的需要不是来自加工操作的本质,如连续,半 连续或间歇,也不是由被加工的物料的性质决定的, 而是因为在不同产品之间必须划分出一个装置上的生 产时间,所以需要时间表
• 对于简单问题,可用观察方法列出所有的可行和不可 行时间表。 • n个产品、m台设备,在一个特定设备上每一种排列均 可给出(n!)m种排列的加工次序。 • n=4,m=4 有(4!)4=331776种可能 • 5个产品,4台设备的问题,时间表总数为(5!)4=2. 1×108。 • 此数据表明,解时间表问题有很大困难,必须采用很 巧妙的方法,有时即使用了很巧妙的方法,某些问题 求解所用的时间也可能很长
• 总物料衡算: • 组分A衡算方程
d ( Ah) F1 F2 F dt
d (hACA ) 1 ( F1C A1 F2C A2 ) FC A dt
分部 所以
d (hCA ) dC dh dC C h A CA h A A ( F1 F2 F ) dt dt dt dt A
• 从技术上讲,目前有91%的间歇过程可以用连 续过程来替代
• 间歇过程具有灵活多变的特性,即它可以用同 一套多用途、多功能的设备生产多种类型的产 品
• 因此间歇过程仍占有重要地位
6.1
间歇过程与连续过程
• 习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。 • 间歇过程通常被定义为“将有限量的物料,按
规定的加工顺序,在一个或多个设备中加工, 以获得有限量产品的加工过程。如果需要更多 的产品,必须重复该过程。”
符号说明
• ri和pij分别为作业Ji的就绪时间和加工时间
• di是交货日期(due date),即至这个时间应已 完成产品Ji的生产
2. 时间表的分类
n/m/A/B n 作业(产品)的数目 m 机器(设备)的数目 A 被用来说明流经此车间或工厂的模式,当m=1时,A可 以是空白的。A也可以是P、F或G。 P 排列的多产品过程(Permutation Flowshop),不仅对
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