第八章分离序列合成

《第八章分离序列合成》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章分离序列合成（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、分离塔序列的综合分离塔序列的综合Synthesis of Separation Sequence 8.1 精馏塔分离序列综合概况精馏塔分离序列综合概况 8.2 分离序列综合的基本概念分离序列综合的基本概念* 8.3 动态规划法动态规划法（用于多段决策的优化方法）（用于多段决策的优化方法）* 8.4 分离度系数有序探试法分离度系数有序探试法（经验规则）（经验规则） * 8.5 相对费用函数法相对费用函数法（经验公式）（经验公式） 8.6 分离序列综合过程的评价分离序列综合过程的评价 8.7 调优法调优法 8.8 复杂塔的分离顺序复杂塔的分离顺序 # 8.1 精馏塔分离序列综合概况精馏塔分离序列综

2、合概况 分离序列综合的主要目的分离序列综合的主要目的选择最合理的分离方法，确选择最合理的分离方法，确定经济上最优的分离序列。定经济上最优的分离序列。 始于始于20世纪世纪70年代，已有很大进展，但不如换热网络成熟；年代，已有很大进展，但不如换热网络成熟； 由于精馏工艺实际要求的多样性、物性的多变性以及计算机由于精馏工艺实际要求的多样性、物性的多变性以及计算机的局限性，开发的程序很难满足应用要求，根据经验总结的的局限性，开发的程序很难满足应用要求，根据经验总结的规则具有很大的实用价值。规则具有很大的实用价值。 分离序列综合问题定义：分离序列综合问题定义： 给定进料流股的条件（组成、流率、温度、压

3、力），系统给定进料流股的条件（组成、流率、温度、压力），系统化地设计出能从进料中分离出所要求产品的过程，并使总费化地设计出能从进料中分离出所要求产品的过程，并使总费用最小。用最小。 # 分离过程是最重要的化工过程之一，其设备投资和操作费分离过程是最重要的化工过程之一，其设备投资和操作费用占有相当大的比例，其中精馏分离占有重要位置；用占有相当大的比例，其中精馏分离占有重要位置； 8.2 分离序列综合的基本概念分离序列综合的基本概念B / C 分离序列综合分离序列综合的数学形式：的数学形式： 分离序列的合成要确定分离序列的合成要确定各级的分离方式各级的分离方式并且总费用最低。并且总费用最低。1.找

4、出最优分离序列和每一个分离器的性能；找出最优分离序列和每一个分离器的性能；2.对每一个分离器找出其最优设计变量（结构尺寸、操作条对每一个分离器找出其最优设计变量（结构尺寸、操作条件等件等)。4 组分混合物组分混合物（A、B、C、D） I 能完成分离任务的一个可行的分离序列，能完成分离任务的一个可行的分离序列，i I ； S 所有能完成分离任务的分离序列的集合，所有能完成分离任务的分离序列的集合，I 为为 S 的子集；的子集；A / BCDAB / CDABC / D第第 1 级分离级分离 B / CD BC / D第第 2 级分离级分离C / D第第 3 级分离级分离Xi 的的可行域可行域分离

5、单元分离单元 i 的的年度总费用年度总费用分离单元分离单元 i 的设的设计变量向量计变量向量可行的分离单元可行的分离单元 i 分离序列综合需解决的问题：分离序列综合需解决的问题：8.2.1 简单塔（简单塔（Simple Column）简单塔定义简单塔定义: （1）一个进料分离为两个产品）一个进料分离为两个产品(一股进料，两股出料一股进料，两股出料)； 锐分离（锐分离（Sharp Separation) 所有分离是完全（或接近所有分离是完全（或接近完全）分离，没有一个组分会完全）分离，没有一个组分会由两个出口都出来，又称清晰由两个出口都出来，又称清晰分割；分割； 有关分离序列的基本概念有关分离序

6、列的基本概念混合物混合物进料进料产品产品B产品产品A（2）每一组分只出现在一个产品中，即锐分离）每一组分只出现在一个产品中，即锐分离(清晰分割清晰分割)；（3）塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器。塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器。#8.2.1 简单塔（简单塔（Simple Column）2 用简单塔分离用简单塔分离3 组分混合物的两种方案组分混合物的两种方案BABCBCCA（a） 顺式流程（顺式流程（Direct Sequence）AABCABBC（b） 非直接序列非直接序列(Indirect Sequence) 两种方案的分离费用是否会有差异，为什么？两种方案的分离费用是否会有差异，为什么？ #8

7、.2.2 顺序表（顺序表（Ranked List）顺序表（顺序表（Ranked List） 进料组分按一定规律的顺序排列；进料组分按一定规律的顺序排列；分离序列的综合，实质上是一个组合问题（分离序列的综合，实质上是一个组合问题（Combinatorial Problem）；）； 排列遵循的依据通常为：排列遵循的依据通常为：(1)蒸馏蒸馏 组分的沸点；组分的沸点；(2)萃取萃取 溶解度；溶解度；(3)筛分筛分 固体粒度；固体粒度；(4)蒸馏、萃取蒸馏、萃取组分挥发度。组分挥发度。 4 组分体系顺序表的表示方法：组分体系顺序表的表示方法：8.2.3 可能的分离序列数可能的分离序列数含有含有 R 个

8、组分个组分的混合物料的混合物料组分组分 A 组分组分 B组分组分R 按相对挥发度由大到小排列，相邻按相对挥发度由大到小排列，相邻两组分之间可以分离开，称为两组分之间可以分离开，称为分离分离点（点（Separation Point）；）； AB 之间、之间、BC之之 间有分离点间有分离点 有有B 存在时，存在时，AC间不存在分离点；间不存在分离点；#8.2.3 可能的分离序列数可能的分离序列数分离器数、分离单元数分离器数、分离单元数简单塔个数；简单塔个数；分离序列分离序列采用一种分离方法把混合物分离成纯组分的过程采用一种分离方法把混合物分离成纯组分的过程（流程、方案），分离序列由分离器构成；（流

9、程、方案），分离序列由分离器构成；可能的分离序列数可能的分离序列数可采用的分离过程（流程、方案）数目。可采用的分离过程（流程、方案）数目。ABCDBCDCDCDBAABCDBCDBCCDBA 4 组分分离序列流程示意图组分分离序列流程示意图对对 4 组分混合物的完全分离，一个序列中的分离单元（分离器）组分混合物的完全分离，一个序列中的分离单元（分离器）数是数是 3 ，分离序列数为，分离序列数为 5 。 4 组分分离序列流程示意图组分分离序列流程示意图CDBABCDABCDABCBABCDABCCDAABBABCDABCCDA 设待分离混合物有设待分离混合物有 R 个组分，个组分，如用简单塔进行

10、完全分离，需如用简单塔进行完全分离，需要要 (R-1) 个精馏塔，最后得到个精馏塔，最后得到 R 个产品。可行的分离序列总个产品。可行的分离序列总数为：数为：8.2.4 分离子群分离子群（Subgroups） 分离多组分进料时，所产生的相邻流股（各分离器的进料或分离多组分进料时，所产生的相邻流股（各分离器的进料或最终产品）称为子群。最终产品）称为子群。第第1个个分离分离器的器的进料进料后面分离器后面分离器的进料的进料产产品品ABCD 4 组分进料的子群组分进料的子群ABCDABCBCDCDABBC 总的不同的分离子群数：总的不同的分离子群数：8.2.5 可能的可能的 分离子问题分离子问题（Se

11、paration Subproblem) 一个分离子问题对应于一个实际的一个分离子问题对应于一个实际的分离单元，分离序列是分离单元，分离序列是分离子问题分离子问题的的不同组合形式不同组合形式； 分离子问题是不重样的分离分离子问题是不重样的分离（Unique Splits）；）； 4 组分混合物的完全分离共有组分混合物的完全分离共有15 个分离器，但只有个分离器，但只有10 个分离子问题。个分离子问题。分离器、分离序列、子群和分离子问题与混合物组分数的关系分离器、分离序列、子群和分离子问题与混合物组分数的关系组分组分数数在一在一序列序列中的分离中的分离器数器数序列数序列数S子群子群数数G分离子分

12、离子问题数问题数U2113132264435101054141520654221357613228568742936849814304512010948625516511101679666220 待分离组分待分离组分R 时，时，子群数子群数G 和子和子问问题数题数U 随之随之 ，分，分离序列数离序列数S 骤增；骤增； 这是采用一种简这是采用一种简单分离方式的结单分离方式的结果，如果除了精果，如果除了精馏之外，也采用馏之外，也采用质量分离（质量分离（Mass-separating Agents），），S、G、U 将增加得更快。将增加得更快。#8.2.6 目标产物组目标产物组R个组分的分离时所含的

13、分离子问题数为：个组分的分离时所含的分离子问题数为： 如如目标产物是混合物，则分离子问题数和分离序列数的计算取决于目标产物是混合物，则分离子问题数和分离序列数的计算取决于目标产物组组分在进料流组分顺序表中是否为相邻组分；目标产物组组分在进料流组分顺序表中是否为相邻组分； 如为相邻组分，可将产物组数作为组分数；如不是相邻组分，则需如为相邻组分，可将产物组数作为组分数；如不是相邻组分，则需视具体情况而定；视具体情况而定；如将混合物（如将混合物（ABCD）分离为（分离为（A）、（）、（C）、（）、（BD）三个产物，三个产物，因目标产物因目标产物 (BD) 在进料流中不是相邻组分，分离序列仍是在进料流

14、中不是相邻组分，分离序列仍是 4 组分组分分离问题：分离问题：8.2.7 判别指标判别指标判别指标判别指标选择和比较分离子问题最优的统一标准。选择和比较分离子问题最优的统一标准。 指标可选择：分离序列中各单元设备（分离器）在最优设计参数指标可选择：分离序列中各单元设备（分离器）在最优设计参数下的年度费用（设备折旧费操作费）、易分离系数（下的年度费用（设备折旧费操作费）、易分离系数（CES）、）、分离难度系数（分离难度系数（CDS）。）。分离序列分离序列综合方法综合方法8.2.8 分离序列的综合方法分离序列的综合方法数学规划法（理论方法）数学规划法（理论方法）探试法（经验方法）探试法（经验方法）

15、调优法（经验方法）调优法（经验方法）适用于无初始方案的适用于无初始方案的分离序列综合分离序列综合只适用于初始方案下的分离只适用于初始方案下的分离序列综合序列综合数学数学规划规划线性规划：目标函数和约束条件均为线性的最优化线性规划：目标函数和约束条件均为线性的最优化问题问题非线性规划：目标函数或约束条件至少有一个为非线性非线性规划：目标函数或约束条件至少有一个为非线性整数规划：要求决策变量取离散的非负整数值的线性规划整数规划：要求决策变量取离散的非负整数值的线性规划动态规划：解决多段决策最优化问题的一种数学方法动态规划：解决多段决策最优化问题的一种数学方法8.3 动态规划法动态规划法 一个多段决

16、策的问题一个多段决策的问题举例说明动态规划的基本思想举例说明动态规划的基本思想 从从S F ，中间必须经过中间必须经过3 个个中间站，第中间站，第 1 站可在站可在(P1，Q1)中任选一点，第中任选一点，第2，3站可站可分别在分别在(P1，Q1)， (P1，Q1) 中任选一点，要求选择一条中任选一点，要求选择一条 SF 间距离最短的路线。间距离最短的路线。P1Q14627SFP2P3Q2Q345614312 求解方法求解方法1：完全枚举法：完全枚举法 ；求解方法求解方法2（分段决策）（分段决策） ： 从最后一段开始，分别算出从最后一段开始，分别算出从从 P3 和和Q3 的到的到F 的的距离距离

17、V（代代价），第价），第 4 段决策，段决策，P3 起始的起始的代价代价V为：为：Vp(4) = 4 ，Vq(4) =3（因是最后因是最后1 段，该段无选段，该段无选择余地）；择余地）； 第第 3 段决策，段决策， 2 个方案：个方案：P2P3F，V=1+ Vp(4) = 5P2Q3F，V=1+ Vq(4) = 4P2Q3F更快，故更快，故P2F 的最的最小代价小代价(最短距离最短距离): Vp(3) = 4；同理，同理，Q2点点 也有两个方案：也有两个方案：其中其中Q2Q3F更短，得更短，得:Vq(3) =5 ；动态规划法的最优性原理动态规划法的最优性原理 选择选择Q决策，整个问题的决策，整

18、个问题的最小代价是：最小代价是： Vs(1) =13P1Q14627SFP2P3Q2Q345614312 最后计算第最后计算第 1 段的选择：段的选择：SP1F V = 4 + Vp(2) =14SQ1F V = 5 + Vq(2) =13 对于每个最初决策来说，无需对于每个最初决策来说，无需知道其后决策，只须知道最初知道其后决策，只须知道最初的两个可能决策之后的最优决的两个可能决策之后的最优决策的代价即可。策的代价即可。 Bellman动态规划最优性原理动态规划最优性原理：不论初始状态如何，对于前面不论初始状态如何，对于前面决策所造成的某一状态而言，决策所造成的某一状态而言，余下的所有决策总

19、构成一个最余下的所有决策总构成一个最优决策。优决策。 第第 2 段决策，段决策，P1点出发有两点出发有两个选择：个选择： V=P1P2F+ Vp(3) =6+4=10 V=P1Q2F+ Vq(3)=6+5=11选择代价最小：选择代价最小：Vp(2) =10Q1点出发的两个选择：点出发的两个选择：V=Q1P2F+ Vp(3) =448V=Q1Q2F+ Vq(3)=7512选择代价最小：选择代价最小：Vq(2) =8分离序列问题可视为分离序列问题可视为 R-1 步的步的多步决策过程多步决策过程 N步决策过步决策过程的目标函数：程的目标函数： 采用一种分离方法采用一种分离方法(精馏精馏) 分离分离4

20、 元混合物有元混合物有 5 个分离序列，个分离序列，共有共有10 个分离子问题（个分离子问题（10 种不同的分离器，对应于不同的年种不同的分离器，对应于不同的年总费用）；总费用）；4 组分分离器组分分离器3 组分分离器组分分离器2 组分分离器组分分离器分离器年总费用分离器年总费用第第k+1步费用函数步费用函数递推递推方程式：方程式：其中其中：终止状态终止状态费用函数费用函数第第 2 步步: V2(1)= minC31+ V1(4)， C32+ V1(5) V2(2)= minC21+ V1(6) V2(3)= minC33+ V1(7)， C34+ V1(8)N=4 时分离序列综合时分离序列综

21、合多步决策过程的序列图多步决策过程的序列图ABCDC411ABCDC422ABCDC433ABCDABCDC31C3245ABCDC2210ABCDC219ABCDC2311ABCDC2212ABCDC2313ABCDC216ABCDABCDC33C3478ABCD0 初始状态初始状态三步决策过程的分离序列树三步决策过程的分离序列树费用费用(代价代价)产品集合产品集合ABCD终止状态终止状态决策过程：决策过程：第第 3 步步: 最小目标函数最小目标函数V V1(4)= C21V1(5) =V1(7)= C22V1(6) =V1(8)= C23分离器号分离器号第第1步决策步决策#第第2步步第第3

22、步步N=4时综合分离序列多步决策过程时综合分离序列多步决策过程2上述计算反演即得到各步决策，也就是最优分离序列。上述计算反演即得到各步决策，也就是最优分离序列。 第第 1 步决策步决策:V3(0) = minC41+ V2(1)， C42+ V2(2)， C43+ V2(3)本问题的目标本问题的目标函数最优值函数最优值 如何理解初始状态和初始决策如何理解初始状态和初始决策 ？ 贝尔贝尔曼（曼（Bellman）动态规划最优性原理动态规划最优性原理：一个过程的最：一个过程的最优决策具有这样的性质，不论系统的初始状态和初始决策如优决策具有这样的性质，不论系统的初始状态和初始决策如何，其后的诸决策对于

23、初始决策所引起的初始状态而言，必何，其后的诸决策对于初始决策所引起的初始状态而言，必须构成最优策略。须构成最优策略。P1Q14627SFP2P3Q2Q345614312 初始状态和初始决策，是按照过程进行的方向相对而言的。初始状态和初始决策，是按照过程进行的方向相对而言的。 右图中，过程从右图中，过程从S 点出发，点出发，所以所以S 点是全过程的初始状态点是全过程的初始状态 对对P2 点来说，点来说，P1和和Q1 是是其初始状态，从其初始状态，从P1 到到P2 和和从从Q1 到到P2 是是P2 的初始决策。的初始决策。 同理，同理，P2 点又是点又是P3 和和Q3 点的初始状态。点的初始状态。

24、【例例8-1】解：解：本题用简单分离器进行分离，本题用简单分离器进行分离，共需共需40个分离器，其中不同的分离个分离器，其中不同的分离器有器有 20个；个；首先通过模拟计算得到首先通过模拟计算得到20 个不同分个不同分离器的年度费用；离器的年度费用；由由丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷5 个组个组分组成的轻烃混合物进料，用动态规划法综合该过分组成的轻烃混合物进料，用动态规划法综合该过程年费用最小的分离序列。程年费用最小的分离序列。组分组分摩尔分率摩尔分率A(丙烷丙烷)0.05B(异丁烷异丁烷)0.15C(正丁烷正丁烷)0.25D(异戊烷异戊烷)0.20E

25、(正戊烷正戊烷)0.35 由图可知，本例有由图可知，本例有14个不同的分离序列；个不同的分离序列； 计算得到的年度费用表示为计算得到的年度费用表示为 C ； 整个问题可看作是整个问题可看作是 4 步决策过程；步决策过程；表表8-4 所有不同分离器费用及表处理动态规划法所有不同分离器费用及表处理动态规划法1子子物流物流组组切割切割点点分离器分离器费用费用含子序列的含子序列的分离器费用分离器费用子子物流组分物流组分离费用最小离费用最小值值最优序列最优序列(A,B)A/BC 21 0.26130.26130.2613(B,C)B/CC 22 0.94930.94930.9493(C,D)C/DC 2

26、3 0.59270.59270.5927(D,E)D/EC 24 1.69201.69201.6920元元/年年105表表8-4 所有不同分离器费用及表处理动态规划法所有不同分离器费用及表处理动态规划法2子子物流组物流组 切割点切割点分离器分离器费用费用含子序列的含子序列的分离器费用分离器费用子子物流组分离物流组分离费用最小值费用最小值最优序列最优序列(A,B,C)A/BCC 31 0.39531.34461.3446AB/CC 32 1.19801.4593(B,C,D)B/CDC 33 1.12601.7187BC/DC 34 0.76751.71681.7168(C,D,E)C/DEC

27、35 0.78172.4737CD/EC 36 1.85302.44572.4457表表8-4 所有不同分离器费用及表处理动态规划法所有不同分离器费用及表处理动态规划法3子子物流组物流组 切割点切割点分离器分离器费用费用含子序列的分含子序列的分离器费用离器费用子子物流组物流组最小值最小值最优序列最优序列A/BCDC 41 0.47072.18752.1875(A,B,C,D)AB/CDC 42 1.40502.2590ABC/DC 43 0.94452.2891B/CDEC 44 1.33403.7797(B,C,D,E)BC/DEC 45 0.94433.58563.5856BCD/EC 4

28、6 2.41804.1358表表8-4 所有不同分离器费用及表处理动态规划法所有不同分离器费用及表处理动态规划法4子子物流组物流组 切割点切割点分离器分离器费用费用含子序列的分含子序列的分离器费用离器费用子子物流组物流组最小值最小值最优序列最优序列A/BCDEC 51 0.57154.15714.1571(A,B,C,D,E)AB/CDEC 52 1.65004.3570ABC/DEC 53 1.14904.1856ABCD/EC 54 2.66004.8475 本题的目标函数值：本题的目标函数值： 最优分离序列综合的动态规划法，实质是在所有不同分离器最优分离序列综合的动态规划法，实质是在所有

29、不同分离器组成的空间中进行穷举的算法。如果组分很多，计算量很大。组成的空间中进行穷举的算法。如果组分很多，计算量很大。# 动态规划在化工中的应用举例动态规划在化工中的应用举例 多级串联系统及其优化多级串联系统及其优化例：一化工过程由反应器例：一化工过程由反应器R、分离器分离器S 和精馏塔和精馏塔D 三个单元过程三个单元过程串联组成，每个单元都有几种不同的操作方式，确定使产品总操串联组成，每个单元都有几种不同的操作方式，确定使产品总操作费用最低的最佳操作方案。作费用最低的最佳操作方案。 多级萃取过程的最佳操作参数多级萃取过程的最佳操作参数例例 ：一：一N 级错流萃取系统，要求确定各级的有机溶剂流

30、量，使总级错流萃取系统，要求确定各级的有机溶剂流量，使总过程的利润最大（按照最优性原理分解为过程的利润最大（按照最优性原理分解为N 个子问题逆推求解）。个子问题逆推求解）。反应器反应器 R 分离器分离器 S 精馏塔精馏塔 D 原料原料 产品产品 产品产品 废料废料 xi uN-1xN-1 zN-1zNuNxN+1 N-1 i 1 xN x1 xi+1 x2 ziu-iz1u1N 动态规划在化工中的应用举例动态规划在化工中的应用举例3 总收益最大的最佳投资分配方案总收益最大的最佳投资分配方案例：已知某化工厂可向例：已知某化工厂可向3 个项目投资的总金额为个项目投资的总金额为8，对各项，对各项目投

31、资额目投资额X 不同时收益不同时收益 P 不同，试求不同投资金额时总收不同，试求不同投资金额时总收益最大的分配方案。益最大的分配方案。投资金额与收益表投资金额与收益表投资额投资额X012345678P1(x)0426404550515253P2(x)0515406070737475P3(x)05154080909598100 本问题可根据本问题可根据Bellman 最优性原理，先求出当资金只分配给最优性原理，先求出当资金只分配给一个项目时，不同资金时的最大收益；再计算向两个项目和一个项目时，不同资金时的最大收益；再计算向两个项目和三个项目投资的最优分配。三个项目投资的最优分配。 # 动态规划在

32、化工中的应用举例动态规划在化工中的应用举例2 化工系统缺乏数学模型时的化工流程最优设计化工系统缺乏数学模型时的化工流程最优设计例：某化工公司设计一新产品生产流程，其中反应器例：某化工公司设计一新产品生产流程，其中反应器 尚未尚未确定是否需要，视反应器确定是否需要，视反应器 所达到的转化率而定，已知不同所达到的转化率而定，已知不同混合器和加热器的混合效率、设备费、产品售价以及不同操混合器和加热器的混合效率、设备费、产品售价以及不同操作条件下的操作费用，确定最佳生产流程和参数，使生产过作条件下的操作费用，确定最佳生产流程和参数，使生产过程总效益最大。程总效益最大。 缺乏数学模型，不可能采用数学模型

33、方法求解，而有关数缺乏数学模型，不可能采用数学模型方法求解，而有关数据和费用齐全时，可采用动态规划法求最优解。据和费用齐全时，可采用动态规划法求最优解。关键是要将工程实际问题转化为动态规划所描述的问题，正关键是要将工程实际问题转化为动态规划所描述的问题，正确选择变量，再根据最优性原理的递推关系求解。确选择变量，再根据最优性原理的递推关系求解。#3反应器反应器 1混合器混合器 原料原料 产品产品 废料废料 4反应器反应器 2加热器加热器 5分离器分离器 8.4 分离度系数有序探试法分离度系数有序探试法有序探试法（有序探试法（Ordered Heuristic Method) 用一些直观用一些直观

34、的、简单的、带有普遍性的、从生产实际中总结出来的规律的、简单的、带有普遍性的、从生产实际中总结出来的规律性的东西作为经验规则来确定分离序列，也称为有序直观推性的东西作为经验规则来确定分离序列，也称为有序直观推断法。断法。 Nadgir等人在等人在1983年提出，分为年提出，分为4 大类：大类：（1）关于分离方法的规则（）关于分离方法的规则（M 类）类） 对特定的分离任对特定的分离任务，优先考虑采用的方法；务，优先考虑采用的方法；（2）关于设计方面的规则（）关于设计方面的规则（D 类）类） 最好采用具有某个最好采用具有某个特定性质的分离序列；特定性质的分离序列；（3）与组分有关的规则（）与组分有

35、关的规则（S 类）类） 根据欲分离组分性质根据欲分离组分性质的差异提出的规则；的差异提出的规则；（4）与组成和经济性有关的规则（）与组成和经济性有关的规则（C 类）类） 表示进料组表示进料组成及产品组成对分离费用的影响。成及产品组成对分离费用的影响。 #8.4.1 经验规则经验规则M1（分离方法分离方法） 优先采用能量分离剂（优先采用能量分离剂（Energy-Separating Agents），），避免避免采用质量分离剂；采用质量分离剂； 如必须采取质量分离剂（关键组分间的相对挥发度小于如必须采取质量分离剂（关键组分间的相对挥发度小于1.05 1.10）时，则在使用质量分离剂后，在下一步立即

36、将）时，则在使用质量分离剂后，在下一步立即将其脱除，且不准用质量分离剂的方法来分离另一质量分离剂；其脱除，且不准用质量分离剂的方法来分离另一质量分离剂； 如使用质量分离剂可增大分离因子（增大相对挥发度），如使用质量分离剂可增大分离因子（增大相对挥发度），或其他分离方法无法得到的多元产品时，可考虑采用质量分或其他分离方法无法得到的多元产品时，可考虑采用质量分离剂的分离方法；离剂的分离方法；判断是否考虑采用质量分离剂的判据：判断是否考虑采用质量分离剂的判据：使用质量分离剂时，关键组分的相对挥发度使用质量分离剂时，关键组分的相对挥发度使用常规精馏时，关键使用常规精馏时，关键组分的相对挥发度组分的相对

37、挥发度#8.4.2 经验规则经验规则M2 避免温度和压力偏离环境条件，如必须偏离，宁可在加压避免温度和压力偏离环境条件，如必须偏离，宁可在加压和较高温度下操作（操作费更便宜）；和较高温度下操作（操作费更便宜）； 尽可能避免真空蒸馏和冷冻操作（操作能耗大）；尽可能避免真空蒸馏和冷冻操作（操作能耗大）；如需要用冷冻（如分离具有高挥发度的低沸物而产品从塔如需要用冷冻（如分离具有高挥发度的低沸物而产品从塔顶出来），可考虑用吸收操作代替；顶出来），可考虑用吸收操作代替；8.4.3 经验规则经验规则D1（设计设计） 产品集合中元素最少的分离序列最为有利。当产品包括多产品集合中元素最少的分离序列最为有利。当

38、产品包括多个多元产品时，选择能产生产品集合最少的流程；个多元产品时，选择能产生产品集合最少的流程；8.4.4 经验规则经验规则S1（组分组分） 首先应除去具有腐蚀性、危险性或毒性的组分首先应除去具有腐蚀性、危险性或毒性的组分;避免后续避免后续塔系设备的腐蚀及安全操作；塔系设备的腐蚀及安全操作； 避免对后继设备及操作条件提出过高的要求。避免对后继设备及操作条件提出过高的要求。 #8.4.5 经验规则经验规则S2 分析什么原因？分析什么原因？原因：组分挥发度接近原因：组分挥发度接近1 时，分离困难，需要较时，分离困难，需要较多的塔板数和较大的回流比，而蒸馏过程的能耗多的塔板数和较大的回流比，而蒸馏

39、过程的能耗正比于热负荷（也就是正比于塔的汽、液负荷）正比于热负荷（也就是正比于塔的汽、液负荷）和再沸器及冷凝器温度倒数之差的乘积；和再沸器及冷凝器温度倒数之差的乘积； 放在最后分离，没有非关键组分存在，可使热放在最后分离，没有非关键组分存在，可使热负荷以及再沸器与冷凝器之间的温差减小；负荷以及再沸器与冷凝器之间的温差减小； # 难分离的组分或轻、重关键组分的相对挥发度难分离的组分或轻、重关键组分的相对挥发度a 接近于接近于1 的组分的分离放在最后（应在没有非关键的组分的分离放在最后（应在没有非关键组分存在的情况下进行分离）；组分存在的情况下进行分离）；8.4.6 经验规则经验规则C1（组成和经

40、济性组成和经济性） 当相对挥发度数值合理时，应优先采用等摩尔分当相对挥发度数值合理时，应优先采用等摩尔分割。割。当塔顶馏出液产品和塔釜产品的摩尔数相同时，精当塔顶馏出液产品和塔釜产品的摩尔数相同时，精馏段的回流比提馏段的蒸发比可得到较好平衡，否馏段的回流比提馏段的蒸发比可得到较好平衡，否则，如果二者相差较大，精馏段或提馏段的能量损则，如果二者相差较大，精馏段或提馏段的能量损失将很大。失将很大。 #8.4.7 经验规则经验规则C2 首先移除含量最多的组分。占进料分率大的产品首先移除含量最多的组分。占进料分率大的产品组分应首先分出，可避免在后继塔系中多次蒸发或组分应首先分出，可避免在后继塔系中多次

41、蒸发或冷凝，减少后继塔的负荷；冷凝，减少后继塔的负荷； 易分离系数易分离系数 CES（Coefficient of Ease Separation） 分离时，可选择具有最大的分离时，可选择具有最大的“易分离系数易分离系数”处为分离点。处为分离点。易分离系数定义：易分离系数定义：CES = f 【例例8-2】有有 5 个组分个组分的轻烃混合物，拟采用的轻烃混合物，拟采用常规精馏，试综合出合常规精馏，试综合出合适的分离序列，分离为适的分离序列，分离为 5个个 纯组分。纯组分。 该规则也可描述为：首先进行该规则也可描述为：首先进行CES数值最大的组分的分数值最大的组分的分割。割。塔顶、塔底产品的摩尔

42、流率之比，塔顶、塔底产品的摩尔流率之比，取取D/W或或W/D（小于等于小于等于1）两分离组分的沸点差两分离组分的沸点差T，或或按式按式= (a-1) 100 计算计算组分组分摩尔分率摩尔分率a aCESA(丙烷丙烷)0.052.05.26B(异丁烷异丁烷)0.151.338.25C(正丁烷正丁烷)0.252.40114.5D(异戊烷异戊烷)0.201.2513.46E(正戊烷正戊烷)0.35【例例8-2】求解步骤求解步骤1.由经验规则由经验规则M1，M2，采用常规蒸馏；由于轻组分沸点采用常规蒸馏；由于轻组分沸点低，采用加压下冷冻；低，采用加压下冷冻；2.规则规则D1，S1是关于产品集合和有腐蚀

43、性组分的，未用；是关于产品集合和有腐蚀性组分的，未用；3.经验规则经验规则S2，难分离组分最后分离，组分难分离组分最后分离，组分E、D间间相对挥相对挥发度最小，发度最小， a=1.25，放在最后分离；放在最后分离；4.经验规则经验规则C1，占进料分率大的产品组分首先分离，应先占进料分率大的产品组分首先分离，应先分离分离E，但由于经验规则但由于经验规则S2 优先，故不先分离优先，故不先分离E；组分组分组成组成aCESA(丙烷丙烷)0.052.05.26B(异丁烷异丁烷)0.151.338.25C(正丁烷正丁烷)0.252.40114.5D(异戊烷异戊烷)0.201.2513.46E(正戊烷正戊烷

44、)0.355. 经验规则经验规则C2，优先采用等摩优先采用等摩尔分割（尔分割（50/50分离）考虑易分离）考虑易分离系数分离系数CES值，首先进行值，首先进行CES数值最大的组分的分割，数值最大的组分的分割，以以C、D间为分离点，此时间为分离点，此时 CES114.5，为为45/50分离分离 。【例例8-2】求解步骤求解步骤2组分组分组成组成aCESA(丙烷丙烷)0.052.05.26B(异丁烷异丁烷)0.151.338.25C(正丁烷正丁烷)0.252.40114.5D(异戊烷异戊烷)0.201.2513.46E(正戊烷正戊烷)0.35参数参数A/BCAB/Cf0.05/0.400.20/0

45、.25=(a-1)*100(2-1)*100=100(1.33-1)100=33CES=f *12.525.4 由于由于AB/C的易分离系数的易分离系数CES大，故应优先采用大，故应优先采用AB/C的方的方案。案。 该题的最优分离系列为：该题的最优分离系列为：6.考虑考虑ABC的的分离方案，分离方案，比较比较A/BC和和AB/C的易分的易分离系数：离系数：8.5 相对费用函数法相对费用函数法相对费用函数：相对费用函数：【例例8-3】 5 个组分的轻烃混合物，采用常规精馏，试按相个组分的轻烃混合物，采用常规精馏，试按相对费用函数法综合出合适的分离序列，分离为对费用函数法综合出合适的分离序列，分离

46、为 5个个 纯组分。纯组分。组分组分Tb组成组成TfFf F A(丙烷丙烷)-42.070.0530.80.05261.1310.1251.073B(异丁烷异丁烷)-11.270.1510.770.251.3720.801.159C(正丁烷正丁烷)-0.50.2528.350.8180.858D(异戊烷异戊烷)27.850.208.150.5381.321E(正戊烷正戊烷)360.35常压沸点常压沸点 f 和和F为为ABC 3 组分组分间分离间分离时的时的f 和和F。#min(D/W,W/D)相邻组分沸点差相邻组分沸点差8.5 相对费用函数法相对费用函数法21.C、D间间F值最小，首先分值最小

47、，首先分割，故分割为割，故分割为ABC和和DE；组分组分Tb组成组成TfFf F A(丙烷丙烷)-42.070.0530.80.05261.1310.1251.073B(异丁烷异丁烷)-11.270.1510.770.251.3720.801.159C(正丁烷正丁烷)-0.50.2528.350.8180.858D(异戊烷异戊烷)27.850.208.150.5381.321E(正戊烷正戊烷)360.352.ABC为三组分混合物，按同为三组分混合物，按同样方法判别，样方法判别，A、B间间F值更值更小，故分割为小，故分割为A和和BC；3.分割分割 BC 和和 DE ，可求得可求得最终分离塔序。最

48、终分离塔序。8.6 分离序列综合过程的评价分离序列综合过程的评价过程综合过程综合的三个主的三个主要问题要问题 描述方法：可包括所有方案，去除不合理方案，并描述方法：可包括所有方案，去除不合理方案，并可直接求解。可直接求解。 三种不同综合方法三种不同综合方法动态规划法、分离度系数有序探试法和相对动态规划法、分离度系数有序探试法和相对费用函数法的比较：费用函数法的比较： 动态规划法可靠性最高，但计算量庞大，组分较多时工作效率低；动态规划法可靠性最高，但计算量庞大，组分较多时工作效率低； 分离度系数法计算简单，可靠性较差，结果往往偏离最佳点；分离度系数法计算简单，可靠性较差，结果往往偏离最佳点； 相

49、对费用函数法计算简单，结果相对精确。相对费用函数法计算简单，结果相对精确。 评价方法：能即快速又精确地对各种方案进行评价评价方法：能即快速又精确地对各种方案进行评价的方法。的方法。 决策方法：能较快地找到较好方案的方法。决策方法：能较快地找到较好方案的方法。 以同一问题的不同求解进行比较（以动态规划法结果为准）可知：以同一问题的不同求解进行比较（以动态规划法结果为准）可知： 动态规划法：动态规划法：4.1571，费用最低，结果最佳；，费用最低，结果最佳； 相对费用函数法：相对费用函数法：4.1856，相对差值为，相对差值为0.685%；分离度系数法：分离度系数法：4.3003，相对差值为，相对

50、差值为3.44%，结果最差。，结果最差。#8.7 调优法调优法 调优法调优法对综合的初始分离序列，按照一定的调优规则和策对综合的初始分离序列，按照一定的调优规则和策略，进行逐步改进搜索最优分离序列的方法。略，进行逐步改进搜索最优分离序列的方法。 调优法内容：调优法内容：1.初始分离序列的建立初始分离序列的建立：初始方案越接近最优解，调优越快；：初始方案越接近最优解，调优越快；2.确定调优规则（三条性质）确定调优规则（三条性质）：（a） 有效性；产生的分离序列可行；有效性；产生的分离序列可行；（b）完整性：反复运用，应产生所有可能的序列；完整性：反复运用，应产生所有可能的序列；（c）直观合理性：

51、调优产生的流程，与原流程不应有太大差异；直观合理性：调优产生的流程，与原流程不应有太大差异；3.制定调优策略（现有的四种调优策略）制定调优策略（现有的四种调优策略）（a）广度第一策略广度第一策略现行初现行初始序列始序列全部可行全部可行相邻序列相邻序列通过模拟计通过模拟计算得到各方算得到各方案费用案费用选择费用选择费用最低者作最低者作现行序列现行序列重复此过程直到找到最优解重复此过程直到找到最优解8.7 调优法调优法2（b）广度第一探试策略广度第一探试策略（c） 深度第一策略深度第一策略利用一个或部分调优规则对初始序列反复调优，找到局部最利用一个或部分调优规则对初始序列反复调优，找到局部最优解后

52、，再换用其他调优规则进一步改进；优解后，再换用其他调优规则进一步改进；（d）超前策略超前策略序列总数不多或找到序列为局部最优时，可不仅对现行序列序列总数不多或找到序列为局部最优时，可不仅对现行序列产生相邻序列，还可对所有相邻序列产生相邻序列。产生相邻序列，还可对所有相邻序列产生相邻序列。#现行初现行初始序列始序列全部可行全部可行相邻序列相邻序列通过探试法从通过探试法从相邻序列中选相邻序列中选择最好方案作择最好方案作为现行方案为现行方案对现行方案对现行方案进行严格计进行严格计算并与前现算并与前现行方案比较行方案比较如有改进即作为新的现行方案，否则如有改进即作为新的现行方案，否则选次优方案作为下一

53、步调优现行方案选次优方案作为下一步调优现行方案公用工程公用工程# 化工过程设计的化工过程设计的“洋葱洋葱”模型模型换热系统换热系统进行化工过程设计的方法步骤：进行化工过程设计的方法步骤：1.如果一个化工过程需要一台反应器，化工过程的设计应如果一个化工过程需要一台反应器，化工过程的设计应从此反应器开始；从此反应器开始； 2. 其次应是分离与再循其次应是分离与再循环系统的设计（反应器产环系统的设计（反应器产生由未反应的原料、产品生由未反应的原料、产品和副产品组成的混合物）和副产品组成的混合物） 3. 换热网络的设计（分换热网络的设计（分离与再循环系统规定了过离与再循环系统规定了过程的热负荷）程的热

54、负荷） 4. 公用工程的设计（换热网络的公用工程的设计（换热网络的设计决定了公用工程的需要量）设计决定了公用工程的需要量）分分 统统与再循环与再循环系系离离反应器反应器公用工程公用工程 化工过程设计的化工过程设计的“洋葱洋葱”模型模型换热网络换热网络分分 统统离离与与再再循环循环系系反应器反应器进行化工过程设计的方法步骤：进行化工过程设计的方法步骤：1.如果一个化工过程需要一台反应器，化工过程的设计应如果一个化工过程需要一台反应器，化工过程的设计应从此反应器开始；从此反应器开始； 2. 其次应是分离与再循其次应是分离与再循环系统的设计（反应器产环系统的设计（反应器产生由未反应的原料、产品生由未反应的原料、产品和副产品组成的混合物）和副产品组成的混合物） 3. 换热网络的设计（分换热网络的设计（分离与再循环系统规定了过离与再循环系统规定了过程的热负荷）程的热负荷） 4. 公用工程的设计（换热网络的公用工程的设计（换热网络的设计决定了公用工程的需要量）设计决定了公用工程的需要量）ABCDBCDCDCDBA4 4 组分分离序列流程示意图组分分离序列流程示意图CDBABCDABCDABCBABCDABCCDAABBABCDABCCDA