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1、2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,1,第八章 化工过程系统的合成,过程系统分析和过程系统合成是化工设计的两大主要手段。 考虑两个方面问题： 如何选择最佳的单元操作设备； 如何优化组织各种单元操作构成最佳工艺路线。 研究内容：主要包括反应路径的合成、分离序列的合成、反应器网络的合成、换热网络的合成、公用工程系统的合成、资源分配网络的合成、生产全流程的合成以及控制系统的合成等。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,2,8.1 过程合成的基本概念,目的：从大量的可行方案中挑选一个或几个最优或次优的方案。 一般过程合成步骤： 确定研究对象的描述方法和目标描述问题； 建立评价过
2、程系统的目标函数评价方法； 将过程系统视为若干相互关联的子系统的组合分拆单元； 用穷举或联想的方法构造可达到过程目的的候选过程系统列举系统； 对各候选过程系统进行评价，选出最优（或局部最优）的过程系统选优策略。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,3,8.1 过程合成的基本概念,初始流程可从： 一、某一可行初始流程出发搜索寻找其他改进流程，从而找到局部最优解调优合成法：用直觉修正或算法修正。 二、在无初始流程的情况下，寻找最优流程分支（分枝）定界法：近期发展，该方法可较严格地排除大量的不可行的流程方案可的繁琐计算，可大大减少要详细计算的方案数，很快找到最优解，是一种无需穷举的系统合
3、成策略。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,4,8.1 过程合成的基本概念,调优合成法步骤： 首先找到或构造一个化工流程的初始方案作为新系统合成的出发点； 建立评价该化工流程的目标函数； 寻找该初始方案中对系统经济性最不利的那些单元或子系统，并对这些单元或子系统进行改进和优化。 将已改进的单元和子系统与初始方案中的其余部分重新连接起来，构造成一个改进的新流程； 计算新流程的目标函数，判别是否优于本次改进前的流程，如是，则以新流程作为以后比较的基准，重复以上步骤直至找不到更好的流程为止。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,5,8.2 分离序列的合成,8.2.1 分离序
4、列的基本概念 分离序列 将输入的多组分原料分离成某些既定组成的产品的分离排序。 目的：在分离单元本身最优的前提下寻找分离总费用最低的分离排序最优的分离序列。 锐分离器与组分排列 锐分离器：只有一股进料，两股出料，且每种组分只在一股出料中出现的分离器。 组分排列：把组分按分离方法中的关键物性的数值以大小次序排列起来的组分。例如：蒸馏操作沸点；精馏相对挥发度或沸点；萃取溶解度。 目的：有助于相邻组分间识别可能存在的锐分离。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,6,8.2.1 分离序列的基本概念,分 离序列数 有N种组分进料分离成N个纯组分的分离，用P种分离方法的分离序列数Z为：,201
5、8/9/19,第八章 化工过程系统的合成,7,8.2.1 分离序列的基本概念,分离子问题实际分离单元 计算分离子问题数的通式： R=(N2-1)N/6 分离序列树 目的：可能的分离序列。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,8,8.2.1 分离序列的基本概念,合成策略两种： 用某些简单而又带有普遍性的经验规则来判断和删除那些明显不合理的分离子问题和与之相应的分离序列，或利用这些经验现则产生若干个较好的候选序列，再通过精确评价最终确定局部最优的分离序列。 首先用相对简单但又不失一定精度的简化算法计算粗略的目标函数（如易分离系数、分离难度系数）来大致评判竞争对象的相对优劣，达到先期淘汰
6、大部分确无竞争力的分离子问题或分离序列的目的，再用严格算法计算精确的目标函数，从而作出最后的选择。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,9,8.2.1 分离序列的基本概念,经验规则 分离方法的优先规则：优先考虑采用能量分离的方法。 有关分离组分特性的规则：首先分离具有易爆、强腐蚀、剧毒等危险性较大的组分，最后分离难于分离的组分。 分离次序经济性规则：避免大流量反复蒸发、冷凝，优先分离大量的组分；节约总能耗，塔顶、塔底产物的摩尔流量越接近越好，同时要考虑切割点的关键组分具有合理的相对挥发度，故以易分离系数或分离难度系数为判据指标进行初步筛选。,2018/9/19,第八章 化工过程系统
7、的合成,10,8.2.1 分离序列的基本概念,易分离系数：分离难度系数：,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,11,8.2.2 分支定界法合成分离序列,合成策略和主要步骤： 明确分离要求，表达分离问题，确定目标函数。 根据分离要求，列出分离问题所包含的分离子问题。 按每级分离子问题均为最佳分离子问题的原则导出基本分离序列。 用简便不失真目标函数计算基本分离序列的目标函数值。 设定初选目标函数上界。用目标函数值乘以一个安全系数，可取1.051.10。 逐步画出可能的分离序列树。分枝并搜索最优分离序列，舍去目标函数值大于上界的分枝及其下属分离序列，最后留下少数几个最具竞争力的分离序列。
8、 用严格精确的目标函数计算方法计算这几个最具竞争力的分离序列的目标函数，比较可得到最优分离序列。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,12,8.2.2 分支定界法合成分离序列,例8.1 六组分混合物的分离序列合成。总流量为 678kmol/h，压力为 55.2kPa，进料温度为53.9，要求分离成A、C、F、BDE四个组分，允许的分离方法有两种：普通精馏分离和萃取精馏。试求最优分离序列。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,13,8.2.3 调优法合成分离序列,方法： 把前后两个相邻分离器的切割点位置对调，产生新的分离序列； 用另一种允许的分离方法替代目前所用的分离方法
9、，从而产生新的分离序列。 优先使用第1条，直到用第1条不能产生新的分离序列时才能用第2条。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,14,8.2.3 调优法合成分离序列,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,15,8.2.3 调优法合成分离序列,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,16,8.3 换热网络的合成,8.3.l 问题的提出 有Nh股物流需要冷却（称热流），Nc股物流需要加热（称冷流），分别有Ns和Nw可供各种品位的热媒和冷媒的数量。可能的匹配数P为：P=(Nh+Ns)(Nc+Nw)-NsNw 若构成网络的换热器数为N，则网络的合成即从P个换热匹配中选出N
10、个构成网络。可能的方案数为：可能方案的总数：,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,17,8.3.2 基本概念,T-H图,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,18,8.3.2 基本概念,用图解法求挟点及最小公用工程用量传热温差为Tmin处称为挟点，其含义是该处的温度差限制了进一步的换热。在挟点处的热流温度称为热端温度，冷流温度称为冷端温度， Tmin二分之一处的温度称为挟点温度。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,19,8.3.2 基本概念,多股热流、多股冷流的组合TH图。 平移曲线不改变曲线性能，故多流股组合为折线。,2018/9/19,第八章 化工过程系
11、统的合成,20,8.3.2 基本概念,冷热组合折线确定挟点和最小公用工程用量,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,21,8.3.2 基本概念,问题表格法步骤： 建立温度区间：根据系统流股的进出口温度按递降次序建立温度区间，需将热流的温度降低Tmin/2，将冷流温度升高Tmin2作为区间的边界温度。 各温度区间作热量衡算：确定这一区间内是有热量多余还是需要补充热量。 系统作总热量衡算和确定最小公用工程消耗。根据某区间多余的热量只能供给下一个（低温）区间，而不能供给上一个（高温）区间的原则，对系统进行总体热量衡算，以确定需要从外界（公用工程）输入的热量。,2018/9/19,第八章 化
12、工过程系统的合成,22,8.3.2 基本概念,问题表格法例,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,23,8.3.2 基本概念,Tmin的选择,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,24,8.3.2 基本概念,最小换热器个数的确定 当网络的热回收量一定时，不同结构的换热网络的总面积相差不大。因此，换热器个数成为影啊网络设备费用的关键因素。 Nmin=NhNcNuhNucL-S Nmin最小换热器个数；L一次换热不能剔除流股的次数；S一次换热剔除两股流股的次数；Nh为热流股数；Nc为冷流股数；Nuh，Nuc分别为公用工程热、冷流股数。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的
13、合成,25,8.3.3 以能量回收最优为目标的换热网络合成方法,设计原则： 不应有跨挟点的热量传递。 以挟点为界，其上不设外冷却器，其下不设外加热器。 设计换热网络应从挟点开始向上、下两个方向进行。 冷热流股匹配原则： 原则1：热流股与匹配的冷流股必须满足CP热CP冷，以避免引起传热温差小于Tmin。此处CP。 CP；而CP。M CP卜故应与冷流股3）匹配。 原则2：使匹配流股其中一股的热量用尽，可能的话首先用尽热流股的热量。,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,26,8.3.3 以能量回收最优为目标的换热网络合成方法,例,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,27,8.3.3 以能量回收最优为目标的换热网络合成方法,换热网络合成结果,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,28,8.3.4 以节能与设备投资为综合目标的换热网络合成,能合并的设备进行合并,2018/9/19,第八章 化工过程系统的合成,29,8.3.5 流股分割换热器网络合成方法,在不能满足挟点匹配时用此法，将流股分割成几股。,
