06化工系统综合与优化4-系统综合1.-课件

第一部分过程系统集成第三章 其它过程系统综合方法 一、 分开序列综合二、 质量交换网络综合三、 反应路径综合四、 反应器网络综合 一、分开序列的综合 分开序列的综合定义如下： 给定入料流股的条件〔包括组成、温度、流率、压力〕，通过一定的方法综合成要求的产品，而且能使总费用最小： 上述问题可以表示为一个混合整数非线性数学规划问题。它包括两方面的内容：寻求最优分开序列；寻求每个分开单元的最优制定变量〔尺寸、操作条件〕。清华大学化学工程系过程工程与生态工业研究中心

满足输入输出要求有多种系统，性能不同。如分开问题： ABCD→A/B/C/D，共有多少种方法？

A/BCD AB/CD ABC/D

B/CDBC/D→C/D→B/CA/BCAB/CA/B C/D→A/B→B/C1.基本概念〔一〕简单锐分开器〔SimpleSharpSeparator) 所谓简单锐分开器，就是只有一股入料流股，两股产品流股，且入料流股中的每个组分仅存在于某一个产品流股中的分开器。例如，一个一般的两产品精馏塔，其相邻轻重关键组分的回收率非常高，则该精馏塔就属于锐分开器。〔二〕顺序表〔RankedList〕 在讨论分开序列的综合方法时，人们常常采纳顺序表把入料的组分按照一定的规律排列起来。排列遵循的依据主要是与分开有关的物性值，例如：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〕。例如，入料混合物条件如下：代表符号组分正常沸点,摩尔流量，mol/hA氢－25318B甲烷－1615C乙烯－10424D乙烷－8815E丙烯－4814F丙烷－426G重组分－18按组分大小可以排成顺序表：或(三〕可能的分开序列数 分开序列的综合是一个复杂的组合问题。 一般来说，采纳S种分开方法〔简单锐分开〕把N组分混合物分开成N个纯组分的分开问题，可能的分开序列数F可用下式计算：组分数N分离方法数S分离序列数F312328511453113462134491143095558593750101486211116792 分开序列综合的目的是从可能的分开序列中寻求满足一定性能指标和约束的最优序列。然而，实际分开问题的可能分开序列数往往很大，要从中选出最有序列是十分困难的。因此，人们提出了种种分开方法以尽量缩小搜索空间，提升综合过程的效率。〔四〕可能的子分开问题 每个子分开问题与一个实际分开单元相对应，分开序列是分开子问题的不同组合形式。关于四组分混合物分开成四个纯组分的分开问题，采纳一种分开方法时，可能存在的分开子问题一共有十个：四组分分开三组分分开两组分分开 用一种分开方法，把N组分混合物分开成N个纯组分的分开问题，所包括的分开子问题数R可用下式计算：〔五〕判别指标 年度费用〔设备折旧费＋操作费〕推断指标 两种较为简单的判别指标： 易分开系数〔CES〕 分开难度系数〔CDS〕。 易分开系数值越大，表示轻、重关键组分越易被分开，所必需分开费用一般也较低。 分开难度系数越小，表示轻、重关键组分越易被分开。〔六〕分开序列的综合方法 有关分开序列的综合方法的文献很多，这些方法大体可以分为三类：数学规划法探试法调优法

数学规划法和探试法适用于无初始方案下的分开序列综合。探试法得到的分开序列有时是局部最优解。因此，其中大多数方法必需与调优法结合，派生出一些方法，如探试调优法。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。调优法更合适于对老厂技术改造和挖潜革新。2.数学规划法 数学规划法具有数学基础，理论上是严格的，但是，它们基本上都具有计算量大和陷入局部最优的弱点。为了弥补这个缺陷，往往通过某些探试法则来缩小搜索空间，减小搜索时间。 属于数学规划法的分开序列综合方法大概有如下几种：〔一〕动态规划法〔Hendry和Hughes,1972)〔二〕分枝界限法〔Westerberg和Stephanopoulos,1975〕〔三〕有序分枝搜索法〔Gomez和Seader，1975〕〔四〕有序搜索法〔Gomez和Seader，1976〕〔一〕动态规划法 依据动态规划原理，如果一个分开序列是最优的，则综合分开序列的各步决策也必定是最优的。 用动态规划法综合分开序列，首先要找出可能存在的分开子问题。例如，对一个四组分混合物(ABCD)，依据它们的性质差别排出一个顺序表〔此处按沸点升高的顺序排为ABCD〕。假设分开的目标产物为四个纯组分(A)、(B)、(C)、(D)，则有如下分开子问题：四组分分开子问题： (A/BCD),(AB/CD),(ABC/D〕三组分分开子问题： (A/BC),(AB/C),(B/CD),(BC/D)两组分分开子问题： (A/B),(B/C),(C/D) 斜线“/〞表示分开点的位置；A、AB、ABC等称为子群，表示分开序列中可能存在的物流组成。第一步：在不同的进料条件下，计算两个组分分开子问题的分开费用；不同的分开方法〔如一般精馏和萃取精馏〕分别计算其最小分开费用；选用其中最低的作为该分开子问题的费用，供综合三组分分开序列时使用。第二步：在不同的进料条件下计算个三组分分开子问题的费用；再加上最优的两组分分开子问题的费用，便可得到三组分分开序列的费用；选取最低者作为三组分分开的最优分开序列，供四组分分开序列综合用。第三步：同样，计算出四组分分开子问题的费用；与三组分最优分开序列的费用相加，得到四组分分开序列的总费用；选出最优者，即为最优的四组分分开序列。〔二〕分枝界限法 动态规划法必需要检验全部分开子问题，而分枝界限法不必搜索全部分开子问题就可找到最优分开序列，从而使搜索空间进一步缩小。 分枝界限法包括三部分内容：利用顺序表导出所有可能的分开子问题和有分开序列构成的树构造基本分开序列，并计算其对偶和初始界限分枝搜索最优分开序列〔三〕有序分枝搜索法与有序搜索法 Rodrigo和Seader〔1975〕提出有序分枝搜索法。 Gamez和Seader〔1976〕提出了有序搜索法。3.探试法 探试法则较轻的组分优先分开〔组分从塔顶逐一分开出来〕最难分开的组分最后分开倾向于一分为二的分开尽量使分开单元内上升的汽相流率最小产品纯度要求高的分开放在最后将流量最大的组分优先分开选用费用最低的分开器作为下一个分开优先分开热稳定性差、具有腐蚀性或毒性的组分易于分开的组分优先分开关键组分的相对挥发度小于最小容许值时，不可采纳一般精馏倾向于采纳产物组最少的分开序列避免采纳必需质量分开剂的分开方法假设分开器中采纳了质量分开剂，应在其后的分开器中马上除去用质量分开剂的分开方法不能用于分开另一质量分开剂倾向于采纳一般精馏可能发生反应的组分应优先移出预先指定关键组分的回收分率避免采纳极端操作条件倾向采纳常规操作压力 一般来说，探试法不能确保得到最优分开序列，通常还要辅以调优法或其他方法，以求得最优分开序列。然而，如果探试法使用得当，则不必需要过多的计算便可迅速获得接近最优的分开序列。 Nadgir和Liu〔1983〕提出有序探试法，是一种较好的分开序列综合方法。4.调优法 调优法原理 所谓调优法就是按照一定的调优规则和策略对某一初始分开序列进行逐步改善而搜索最优分开序列的一种方法。该法包括三个方面的内容：建立初始分开序列确定调优规则制定调优策略 调优法搜索空间相对而言还是很大的。Seader和Westerberg〔1977〕，Nath和Motard〔1981〕的调优法相对来说计算量较小，从初始序列到最优序列只必需评比三、四个中间序列。〔一〕 问题描述〔二〕 研究方法〔三〕 实例分析二、质量交换网络〔一〕问题描述 一个标准的质量交换网络集成问题可描述如下： 有几种贫液L={Li|i=1,2,3...NS}，已知它们的价格和各组分的入口浓度和出口浓度上限；现有一系列的富液R={Rj|j=1,2,3...NR}，已知其流率和各组分入口，要求出口浓度达到一定目标；建立一个质量交换网络，求整个网络的最小投资费用。在换热网络中，热力学平衡由温度决定，冷热物流温度相等时即为平衡点；在质量交换网络中，溶质、溶剂体系的相平衡特性控制着溶质在两相中的分配。由于传热、传质过程的类似性，夹点技术也可以应用到质量交换网络中。El-Halwagi和Manousioutakis〔1989〕首次将夹点技术应用到质量交换网络中,提出了组合浓度曲线。纵坐标为传质量，横坐标表示富液浓度Yp、两个相应的贫液浓度Xp,1Xp,2。最小传质浓度差为ε，富液与贫液浓度满足平衡关系式。

〔二〕研究方法1、夹点法2、超目标法3、超结构法4、状态空间法5、遗传算法 多组分的问题夹点法以贫液、富液的浓度对传质量作图，得出组合传质量曲线，由此曲线确定系统夹点所在。传质量为0处为夹点，并得出热力学第二定律所限制的最小贫液量。与换热网络不同，在传质网络中，不但平衡关系复杂，而且贫液、富液的浓度要通过平衡关系转换，统一标度。得到最小贫液流量后，还必需要确定系统的网络结构。采纳与换热网络的相似的原则，来综合质量交换网络。用夹点法综合传质网络，关于夹点四