化工过程分析与合成8PPT文件格式下载.ppt

1、Nasdgir（1983）提出了有序试探法；Stephanopoulos（1976）提出的调优综合法，Rathor等（1974）提出的带有能量集成的多元分离系统综合的方法4试探法中，试探规则多是定性的规则，而且规则数目较多，让初学者和实际工作经验不足者无所适从4Nadgir提出分离系数，使部分试探规则定量化4北京化工大学施宝昌等（1997）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 8.2 分离序列综合的基本概念分离序列综合的基本概念4分离序列的综合是一个两层次的问题，在塔系最佳化的同时，每个塔的设计也要最佳化8.2.1 8.2.1 简单塔（简单塔（Simple ColumnS

2、imple Column）（1）一个进料分离为两个产品（2）每一个组分只出现在一个产品中，即锐分离（Sharp Separation）（3）塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器（a）顺式流程（Direct Sequence），轻组分在塔顶逐个引出。（b）非直接序列（Indirect Sequence）4当所需分离的混合物包含较多组分时，则可能的分离序列数会非常之大BCAABCBCABABCCBA（a）（b）8.2.2 8.2.2 顺序表（顺序表（Ranked ListRanked List）4依据是与分离方法有关的物性值 组分的沸点（蒸馏）、溶解度（萃取）、固体粒度（筛分）、组分挥发度（蒸馏、萃取）

3、或 （ABCD）8.2.3 8.2.3 可能的分离序列数可能的分离序列数DACB（a）CDBA（b）ACDB（c）BACD（d）4用S种分离方法（简单锐分离），把含有R个组分的混合物分离成R个纯组分的产品，分离序列数S:ACBD（e）8.2.4 8.2.4 分离子群分离子群（Subgroups）Subgroups）4分离多组分进料时，产生一些子群，也称相邻的流股，其为各分离器的进料或最终产品4总的不同的分离子问题数（包括进料）G可由算术级数求和得到第一个分离器的进料后面分离器的进料产品表表8-1 对于对于4组分进料的子群组分进料的子群8.2.5 8.2.5 可能的分离子问题可能的分离子问题（S

4、eparation Separation SubproblemSubproblem）4每个分离子问题与一个实际分离单元相对应，分离序列是分离子问题的不同组合形式4对于R个组分的分离问题，所含的分离子问题表表8-2 4组分进料的分离子问题组分进料的分离子问题对于第一个分离器的分离子问题对于后面分离器的分离子问题表表8-3 对于采用一种简单分离方式，分离器、分对于采用一种简单分离方式，分离器、分离序列、子群和分离子问题的数目离序列、子群和分离子问题的数目4待分离组分数R增大时，子群数G和分离子问题数U也随之增大，而序列数S骤增4假如采用的分离方法不只是一种，则上述S、G、U值将增加的更快4所以多组

5、分分离序列的综合面临着要解决很大数目的组合问题4随R的增加，对分离序列数S和分离子问题数U：8.2.6 8.2.6 目标产物组目标产物组4有时目标产物是混合物，而不是纯组分4如果目标产物组的组分在进料流组分顺序表中是相邻组分，则可把产物组数作为组分数4如果目标产物组中的组分不是相邻组分，则要根据具体情况而定图图8-3 把（ABCD）分离成（AB）和（CD）图图8-4 把（ABCD）分离成（A）、（C）、（BD）的分离序列8.2.7 8.2.7 判别指标判别指标4分离序列综合，需要不断进行比较，选择最优的分离子问题构成分离序列。/分离序列中各单元设备在最优设计参数下的年度费用（设备折旧费+操作费

6、）可以作为判别指标/易分离系数（CES）和分离难度系数（CDS），都可以用来作为判别分离子问题的优化指标8.2.8 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，探试法和调优法4数学规划法和探试法适用于无初始方案下的分离序列综合4探试法得到的分离序列有时是局部最优解或近优解。其中大多数必须与调优法结合，派生一些方法，如探试调优法4调优法只适用于有初始方案下的综合问题。初始方案的产生可依赖于探试法或现有生产流程4调优法更适于对老厂技术改造和挖潜革新8.3 8.3 动态规划法动态规划法4最基本也是最原始的最优化方法是穷举法穷举法4这种方法耗时费力，效率最低，当组分数较大时，可行方案极

7、多，计算工作量太大，致使无法实施44为了减少计算工作量，数学规划法是较好的一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个方法，动态规划法是数学规划法的一种动态规划法是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法4多阶段决策过程是指由于这种过程的特殊性可以将它分为若干步，而在每一步中都需要作出决策，以便使整个过程取得最优效果4根据动态规划原理，如果一个分离序列是最优的，则综合该分离序列的各步决策也必定是最优的4综合分离序列问题可以看成一个多步决策过程4对于处理R个组分进料，采用简单锐分离器的分离序列，共需要R-1个分离器。每选择一个分离器都可以看成是一步决策过程，因此

8、该分离序列的综合问题就可以看成是R-1步决策过程四组分分离器（共三个）三组分分离器（共四个）二组分分离器（共三个）四组分分离序列中的分离子问题第一步决策第二步决策第三步决策C23C42C41C43C31C32C21C22C23C22C21C33C340ABCDABCDABCDABCDABCDA BCDAB CDABC DAB CDABC DAB C DA BC DA B CD产品集合ABCDA B C D终止状态初始状态N=4时综合分离序列多步决策过程的序列图4分离序列树相当于一个三步决策过程4如果要找到一组最优策略，使系统从初始状态转移到终止状态，则一个转移策略是：不论系统的初始状态和初始决

9、策如何，其余的决策对于初始状态和初始决策一起导致的第一步状态来说，必须构成一个最优策略4N步决策过程目标函数可写成：4Xk第k步决策的终止状态或第k+1步决策的起始状态4Uk第k+1步的控制或决策4C（Xk,Uk）第k+1步的费用函数，系Xk、Uk的函数4令Vj（Xi）表示自Xi状态出发，经j步决策转移到终止状态时目标函数的最小值。按动态规划的最优原理可以得到4S（XN）表示由于终止状态不同所反映的费用函数值，一般终止状态只有一个，S（XN）=0例：对第三步决策过程（K=2，N=3）4则：4对于不同的节点（状态）则有V1（）=V1（）=C22V1（）=V1（）=C23对第二步决策过程（K=1，

10、N=3）对第一步决策过程（K=0，N=3）4应用递推公式从解出V1（X2），再解出V2（X1），最后解出V3（X0），即目标函数的最优值。然后，将上述计算反演即可求出各步决策，即最优分离序列4动态规划属于隐枚举法，是一个比穷举法有效得多的算法。它是在一个比原搜索空间小得多的空间上进行穷举的一种算法。4在由所有不同分离器所组成的空间中进行穷举，是一个可行算法；在由所有可能分离序列所组成的空间中进行穷举是不可行算法。4综合最优分离序列的动态规划法，要详细计算各分离序列中所用到的全部不同分离器的总费用，计算工作量也是相当可观的。由丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷五个组分组成的轻烃混合物进料，其加

11、料速度为907.2kmol/h，各组分的摩尔分率如下：例例 试按动态规划法综合该分离序列解：4将五组分混合物进料用简单锐分离器进行分离，共需要40个分离器，总共有14个不同的分离序列，20个不同的分离器，可以把它看成4步决策过程。通过过程模拟可以详细计算出这时所有20个不同分离器的费用按递推公式，对第四步决策过程求最优值函数为：按递推公式对第三步决策过程求最优值函数为：第二步决策过程求最优值函数为：对第一步决策过程的最优值函数为：4最优序列的年总费用为4.1571105元/年，将各步最优值函数反演即可求得各步最优决策最优分离序列4除动态规划法以外,常用的数学规划法还有分分分分枝界限法、有序分枝

12、界限搜索法和有序搜索法枝界限法、有序分枝界限搜索法和有序搜索法枝界限法、有序分枝界限搜索法和有序搜索法枝界限法、有序分枝界限搜索法和有序搜索法等4动态规划法需要检验全部分离子问题，而分枝界限法不必搜索全部分离子问题便可找到最优分离序列，从而使搜索空间进一步缩小。4有序分枝搜索法与分枝界限法十分相似，搜索空间也是由部分分离子问题构成。不同点在于某些地方做了一些简化。有序搜索法利用探试费用函数预测完整分离序列的费用下限，通过比较后予以取舍，进一步缩小了搜索空间8.4 8.4 分离度系数有序探试法分离度系数有序探试法4所谓探试法实际上就是经验法4由于综合分离序列问题是一个两层次决策问题，求解复杂。故

13、可以使用几个简单的、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可以分为四大类经验规则可以分为四大类4关于分离方法的规则（M类规则）。主要是对某一特定的大量任务，确定较好的分离方法4关于设计方面的规则（D类规则）。决定最好采用那些具有某个特定性质的分离序列4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（C类规则）。表示了进料组成及产品组成对分离费用的影响8.4.1 8.4.1 经验规则经验规则M1M14在所有分离方法中，优先采用使用能量分离剂的方法（例如常规精馏方法）。其次才考虑采用质

14、量分离剂的方法（例如萃取精馏、液-液萃取的方法）4若必须采用质量分离剂方法时，则在使用质量分离剂的塔后应马上将这个质量分离剂分离出去，而且不准用质量分离剂的方法来分离另一个质量分离剂。4如果使用质量分离剂的分离方法可增大分离因子（如增大相对挥发度），或者采用这个分离方法可以直接得到多元产品，而利用其它分离方法无法做到这点时，可以考虑采用质量分离剂的分离方法4半定量地推导出：m01.95m使用质量分离剂分离方法时，轻、重关键组分的相对挥发度0使用常规精馏方法时，轻、重关键组分的相对挥发度8.4.2 8.4.2 经验规则经验规则M2M24避免温度和压力过于偏离环境条件。如果必须偏离，也宁可向高温或

15、高压方向偏离，而尽量不向低温、低压方向偏离。即尽可能避免采用真空精馏及制冷操作。4如果不得不采用真空蒸馏，可以考虑用适当溶剂的液-液萃取来代替。4如果需要冷冻（如分离具有高挥发度的低沸物，产品从塔顶采出时），可以考虑吸收等便宜些的替代方案。8.4.3 8.4.3 经验规则经验规则D1D14产品集合中元素最少的分离序列最有利4当产品包括多个多元产品时，应当选择能产生最少产品集合的流程。因为产品集合越少，分离序列中分离器的数目也越少，因此总费用也可能较低8.4.4 8.4.4 经验规则经验规则S1S14为了避免后继塔系设备的腐蚀及安全操作，首先应移除腐蚀性和危险性的组分8.4.5 8.4.5 经验规则经验规则S2S24应把接近1的分割放在分离序列的最后面，即要在没有非关键组分存在下分离这一对关键组分4精馏过程所消耗的净功，既与级间流量成正比，也与冷凝器温度倒数及釜温倒数之差成正比。因此应尽量不使顶温与釜温相差较大的塔有较大的级间流量。4反之，也应尽量不使较大级间流量的塔