18、第八章-分离塔序列的综合解析

第8章分别塔序列的综合分别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，而使得分别过程综合成为人们普遍关切的问题。分别序列综合的目的是要找出节约开支的设备和工艺，提高经济效益。常用的分别方法包括蒸发、精馏、萃取、吸取、吸附、结晶、沉淀、络合、反应、膜分别、电泳和层析等。精馏分别在工业生产中应用时间长，探讨成熟，也较为经济，因而精馏分别往往是首选的分别方法。对于多组分的分别，须要用多个精馏塔，这些精馏塔的排序对费用往往产生较大的影响。8.1精馏塔分别序列综合概况分别序列的综合始于20世纪70年头。1972年有人提出最优化算法的动态规划法。1973年有人提出直观摸索法，1976年有人提出调优综合法，1983年有人提出了有序摸索法，在摸索法中，摸索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阅历不足者无所适从，因此又有人提出了易分别系数，使部分摸索规则定量化1997年北京化工高校施宝昌提出了相对费用函数F，使摸索规则定量化的精度得以提高。8.2分别序列综合的基本概念一什么是分别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合找出能从进料中分别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找出最优的分别依次（序列）和每个分别器的性能。2找出每个分别器的最优设计变量，在每个分别器最优的同时分别系统最优。二分别序列综合问题举例例1：用简洁塔分别某3组分的混合液，用精馏操作分别，且挥发度由大到小依次是ABC。这一问题的可能的分别依次有两种。第一种：其次种：

由上例可见，分别序列的综合内容主要是要解决分别序列组合问题。

ABCABCBCABCABCBA三分别序列组合数S的计算设有R个组份需分别成R个单一产品，则分别序列组合总数SR用下式计算：

例：有4个组份的混和液待分别，则可能的分别序列组合总数S为：

ABCDABCDBAABCDABCDBCDCDCDABCDABCDABCABABCDABCDBCDBCABCDABCDABCBC四分别序列中不同流股子群数G的计算ABCDABCDBCDCD四分别序列中不同流股子群数G的计算流股子群（相邻流股）是指分别序列中各分别器的进料或产品。在某一分别问题中，可能构成的流股子群数目很多，总的不同的子群数目则由下式计算：例：当R=4(组分数）时则不同子群数目五不重样分别子问题数U的计算五不重样分别子问题数U的计算分别子问题：每一个分别器的设计问题称为一个分别子问题。不重样分别子问题：在众多分别序列中构成的分别子问题中相互不重复的子问题。

例：R=4(组分数），则8.3动态规划法在分别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:比较每个可能的分别序列方案。这种方法耗时费劲，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。但动态规划法最牢靠.为了削减计算工作量，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。[例8-1]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，其加料速度为907.2kmo1／h，各组分的摩尔分率如下:若工艺要求全部产品均为纯组分，试按动态规划法综合该分别序列。将本例所示的五组分混合物进料用简洁锐分别器进行分别，总共有14个不同的分别序列，20个不同的分别子问题.0.3953+0.9493=1.34461.198+0.2613=1.4593ABCABC四组分分别方案:ABCD组方案一:0.4707+1.7168=2.1875ABCDABCDBCD四组分分别方案:ABCD组方案二:1.4050+0.2613+0.5927=2.259ABCDABCDCDAB方案三:0.9445+1.3446=2.2891ABCDEABCDECDE五组分分别方案:方案一:0.5715+3.5856=4.1571方案二:1.6500+0.2613+2.4457=4.3578．4分别度系数有序摸索法摸索法事实上就是阅历法，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行忽视的潜力。由于综合分别序列的搜寻空间特殊浩大，找出最优分别序列特殊困难。假如一上来就用严格、系统的方法往往是很难成功的。而运用几个简洁的、但带有普遍性的阅历规则产生一些接近最优的序列，然后再对它们进行细致的评价以确定最终的分别序列。阅历规则分为四大类:(1)关于分别方法的规则(M类规则)，针对一特定的大量任务，确定最好接受哪一类分别方法；(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别序列，(3)与组分性质有关的规则(s类规则)。依据欲分别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别费用的影响以下分别进行介绍:规则1（S2)当关键组分间的相对挥发度接近1时，应当在没有非关键组分存在的状况下进行分别(或定义为:难分别的组分后分别)。因为关键组分间的相对挥发度接近1时，分别是困难的，往往须要较多的塔板数、较大的回流比，因此将增大所需分别费用。直观推断的一般规则对蒸馏序列的综合，主要有以下几条直观推断规则：例：有一个4个组分的待分别混合物，各组分l、2、3、4的摩尔量相等，即Fl＝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种可能的分别序列，由数字说明把难分别的组分放在最终处理的方案的总费用最小。12＝34＝

23＝12/3Fl＝F2＝F3＝F4＝F123412343432412＝34＝

23＝12/3123412342324312＝34＝

23＝12/312341123432412＝34＝

23＝12/3规则2最好将各组分逐个从塔顶馏出，即接受干脆序列。逐一馏出可削减冷凝器和再沸器的热负荷，因此降低生产成本。规则3(C1)进料中占据分额大的组分应首先分别出去，这样可削减后续分别器的热负荷。(C2)最好接受塔顶馏出物与塔底产物的流量近于相等，此时可削减整个塔系热负荷。举例说明：设进料中组分1、2、3、4摩尔分率相等。12341234343241234123423243123411234324规则4应将回收率要求很高的馏分放在塔系的最终进行分别。产品纯度要求高，势必须要较多的级数（在回流比变更不大时），假如分别时有非关键组分存在，不仅增加塔内汽、液负荷，也需增大塔径，设备费用和操作费用同时增大。即将高纯度和高回收率的组分放在最终分别可以减小设备尺寸。规则5(D1)希望必需产生的产品数目最少，即避开重复得到相同的产品，使分别设备数最少。规则6当运用质量分别剂时，除非其对后继分别过程有利，最好应在下一个分别器中立刻回收，以减小后继过程的负荷。该法将直观推断规则按重要程度排序，然后按次序运用这些规则，逐步综合出分别序列。有序直观推断规则规则1(M1)当其他状况相同时，最好接受能量分别剂，尽量避开接受质量分别剂。有序直观推断法规则2(M2)避开真空蒸馏和冷冻，考虑用液－液萃取代替真空蒸馏。规则3(D1)倾向于最少的产品品种规则4(S1)首先除掉具有腐蚀性、毒性的组分规则5(S2)最终处理难分别组分规则6(C1)进料中含量最多的组分首先分别出去。规则7(C2)当组分间性质差别不大时，倾向于塔顶、塔底产品量50/50分别。若不能按50/50分别，则可选择具有“最大易分别系数”处为分别点。规则七中提出了易分别系数CES。CES定义式：f——塔顶、塔釜摩尔流率比值即或，f恒小于1。——两分别组分沸点差T或例题例1一含有5个组分的轻烃混合物，组成如下：组分组成(mol分率）相邻组分间相对挥发度易分离系数ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.46组分组成(mol分率）相邻组分间相对挥发度易分离系数ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.46求解步骤：第一步：考虑规则一、二而接受常规蒸馏，即用能量分别剂，应避开冷冻以减小能耗，但由于丙烷沸点为零下。故需降温至零下液化后才能进行蒸馏。为降低冷冻负荷，需加压使丙烷沸点上升，同时冷冻。其次步：考虑规则三、四，由于该例中无相同产品的多路排出和易腐蚀有毒组份，故无此问题。

第三步：考虑规则五，最终处理难分别组份，故BC与DE之间挥发度小，故后分别。第四步：考虑规则六，倾向于塔顶、塔底等摩尔分（50/50）分别，应先分出后，但由于DE间难分别，故不能先分别E。第五步：考虑规则七，由于AB间=2，CD间=2.4，差不多，需求CES，比较见表。

组分组成(mol分率）相邻组分间相对挥发度易分离系数ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.46ABCDEABCDE组分组成(mol分率）相邻组分间相对挥发度易分离系数ABCDE0.050.150.250.200.352.01.332.401.255.268.25114.513.46ABCDEABCDE第六步：接着利用规则七，探讨ABC间组份的分别序列。ABCDEABCDEABCABCBCABCABCBA组分组成(mol分率）相邻组分间相对挥发度易分离系数ABC0.050.150.252.01.3312.526.4结论：得到适宜的分别序列为:ABCDEABCDEABCAB8.5相对费用函数法相对费用函数是1997年北京化工高校施宝吕等提出的。该方法是在有序探试法的基础上，用非线性函数F代替了线性函数分别简洁度系数CES。作者认为，分别度系数相关的两个变量／(塔顶、塔釜产品摩尔流串比)与△T(欲分别二组分沸点差)与分别器的设备费和操作费不应当表现为线性关系。经过大量的模拟计算和曲线拟合，得到相对费用函数表达式：[例8-3]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，其加料流量q为907.2kmo1/h、各组分的常压沸点和摩尔分数及各相邻组分的△T，f和F值列于下表。接受相对费用函数法分析最优的分别序列各相邻组分的△

T、f和F值计算举例：由相对费用函数F值判别第一分别塔的最低费用切割点，由于组分C、D之间的F值最小，所以首先应从C、D之间进行分割。即第一分别塔分别方案为ABC／DE。下一个分别塔中ABC的分别为三组分分别问题，可按同样的方法判别最低费用切割点。对ABC之间的分割费用函数值计算结果用f’、F’表示，列于上表。由F’值判别ABC组分间的最优切割，应在A、B间切割，即A／BC。接受相对费用函数法分析得到的最优的分别序列如下8.6分别序列综合过程的评价动态规划法、分别度系数有序探试法和相对费用函数有序探试法的比较:动态规划法:从理论上说该方法的计算结果牢靠性