1、6.1.1 分離過程的能耗分離過程的能耗第第6 6章章 分離序列綜合分離序列綜合6.1 分離序列綜合基本概念分離序列綜合基本概念精餾分離過程采用精餾分離過程采用能量作為分離劑作為分離劑能量通常以能量通常以熱的形式供給的形式供給精餾過程的凈耗功：精餾過程的凈耗功：)1()1(00LLHHnTTQTTQW 若沒有消耗機械功，且忽略產(chǎn)物和進料之間的若沒有消耗機械功，且忽略產(chǎn)物和進料之間的焓差，則：焓差，則：)11(0HLnTTTQW 精餾過程的精餾過程的熱力學(xué)效率：nidaWW 反映能量利用的完善反映能量利用的完善( (不可逆不可逆) )程度程度 Wid為分離過程的理想功為分離過程的理想功，在定溫、

2、定壓下，在定溫、定壓下，分離均相物系，原料為分離均相物系，原料為 n 組分混合物，產(chǎn)品為單組分混合物，產(chǎn)品為單組分純凈物的分離過程的理想功為：組分純凈物的分離過程的理想功為： 對理想氣體：對理想氣體： niiiyyRTW10idln對理想溶液：對理想溶液： niiixxRTW10idln對非理想溶液：對非理想溶液：)1()ln(010idTTHxxRTWmniiii 混合熱混合熱6.1.2 分離序列綜合問題定義分離序列綜合問題定義定義：定義：在給定進料流股狀態(tài)（流量、溫度、壓力和組在給定進料流股狀態(tài)（流量、溫度、壓力和組成），并規(guī)定分離產(chǎn)品要求的情況下，系統(tǒng)化地設(shè)計成），并規(guī)定分離產(chǎn)品要求的情

3、況下，系統(tǒng)化地設(shè)計出分離方案并使總費用最小。出分離方案并使總費用最小。 iiiXIxCMin)(, iI可行的分離單元；可行的分離單元；Ci分離器分離器 i總的年費用；總的年費用；IS的一個子集；的一個子集；S能產(chǎn)生所要求產(chǎn)品的所有分離序列的集合；能產(chǎn)生所要求產(chǎn)品的所有分離序列的集合；xi分離單元分離單元 i 的設(shè)計變量向量；的設(shè)計變量向量；Xxi的可行域的可行域從從 S 中產(chǎn)生子集中產(chǎn)生子集 I 的離散決策的離散決策對連續(xù)變量對連續(xù)變量 xi的決策的決策混合-整數(shù)非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題分離序列的綜合是一個分離序列的綜合是一個兩水平問題兩水平問題找出最優(yōu)的分離序列和每一個分離器的性能；找出最優(yōu)的分

4、離序列和每一個分離器的性能；對每一個分離器找出其最優(yōu)的設(shè)計變量值，如對每一個分離器找出其最優(yōu)的設(shè)計變量值，如結(jié)構(gòu)尺寸，操作條件等；結(jié)構(gòu)尺寸，操作條件等；塔的排列方式最佳、每個塔的設(shè)計也要最佳化塔的排列方式最佳、每個塔的設(shè)計也要最佳化6.1.3 分離序列綜合組合問題分離序列綜合組合問題簡單塔：簡單塔： 指一個進料分成塔頂、塔底兩個產(chǎn)品；指一個進料分成塔頂、塔底兩個產(chǎn)品； 每一個組分只出現(xiàn)在一個產(chǎn)品中每一個組分只出現(xiàn)在一個產(chǎn)品中清晰分割清晰分割 ； 塔頂采用全凝器，塔底采用再沸器。塔頂采用全凝器，塔底采用再沸器。順序表順序表采用順序表把進料的組分按照一定的規(guī)律排列采用順序表把進料的組分按照一定的規(guī)

5、律排列排列依據(jù)排列依據(jù)：與分離方法有關(guān)的物性值與分離方法有關(guān)的物性值組分的沸點（蒸餾）；組分的沸點（蒸餾）；溶解度（萃取）；溶解度（萃取）；固體粒度（篩分）；固體粒度（篩分）；組分揮發(fā)度（蒸餾、萃?。┙M分揮發(fā)度（蒸餾、萃?。σ粋€對一個4 4組分體系，其順序表可用兩種方式表示：組分體系，其順序表可用兩種方式表示： DCBA或或(A B C D)（a) 直接序列直接序列 （b) 非直接序列非直接序列例如：例如：簡單塔分離簡單塔分離3組分混合物的分離序列組分混合物的分離序列分離點（分離點（切分點切分點) )可以分離開的相鄰組分之間可以分離開的相鄰組分之間 如如 A/B、B/CR組分混合物分離成組分

6、混合物分離成R個純組分產(chǎn)品，存在個純組分產(chǎn)品，存在 P=R-1個個分離點分離點輕組分在塔頂引出輕組分在塔頂引出可行分離序列數(shù)可行分離序列數(shù) 分離的流程方案，含有分離的流程方案，含有R個組分的混合物分離成個組分的混合物分離成R個單組分產(chǎn)品，其分離序列的總數(shù)目個單組分產(chǎn)品，其分離序列的總數(shù)目)!1( !)!1(2 RRRSR說明：說明： 組分數(shù)組分數(shù) ，可能的分離序列數(shù)，可能的分離序列數(shù) 分離序列的綜合實質(zhì)上是解決一個組合問題分離序列的綜合實質(zhì)上是解決一個組合問題A/B,C,DABCB/C，DC/DDA/B,C,DAB/CBB，C/DDC例如例如: R=4，SR=5A,B/C,DBACC/DDA/

7、BA,B,C/DABCA/B，CB/CDAA,B,C/DBCA，B/CA/BD子群子群子群子群分離序列的子群數(shù)（相鄰的流股）：進料或產(chǎn)品分離序列的子群數(shù)（相鄰的流股）：進料或產(chǎn)品 分離過程中產(chǎn)生的流股數(shù)，一般情況下：分離過程中產(chǎn)生的流股數(shù)，一般情況下：)1(21 RRG例：例：R=3，G=6R=4 G=10 第一個分離器第一個分離器的進料的進料后面分離器的進料后面分離器的進料產(chǎn)品產(chǎn)品 DCBA CBA DCB BA CB DC A B C D單組分子群數(shù)最多單組分子群數(shù)最多(R個個)，R組分子群數(shù)最少組分子群數(shù)最少(1個個)分離子問題數(shù)（獨立分離單元數(shù)分離子問題數(shù)（獨立分離單元數(shù) ） 所有分離

8、序列中不重樣的分離器總數(shù)所有分離序列中不重樣的分離器總數(shù))12(61 RRU R=4，分離序列分離序列 SR=5，每種分離序列有每種分離序列有3個分離器，個分離器，但但15個分離個分離 器中只有器中只有U=10個是不重樣的，即：個是不重樣的，即：（A/B，C，D）（A，B/C，D）（A，B，C/D）（A/B，C） （A，B/C） （B/C，D） （B，C/D）（A/B）（B/C）（C/D）組分數(shù)組分數(shù)R在一序列中在一序列中的分離器數(shù)的分離器數(shù)序列數(shù)序列數(shù)SR子群數(shù)子群數(shù)G分離子問分離子問題數(shù)題數(shù)U2345678910111234567891012514421324291430486216796

9、361015212836455566141020355684120165 220R，G, U，SR驟增驟增多組分分離序列的綜合是多組分分離序列的綜合是大規(guī)模復(fù)雜組合優(yōu)化問題大規(guī)模復(fù)雜組合優(yōu)化問題如果考慮采用如果考慮采用多種分離方法多種分離方法，分離方法數(shù)為，分離方法數(shù)為N ，則分離序列數(shù)：則分離序列數(shù)：1)!1( !)!1(2 RRNRRRS說明：說明：SR 隨隨 N 的增加呈爆炸增大的增加呈爆炸增大 隨待分離組分數(shù)隨待分離組分數(shù)R 的增加，對分離序列的增加，對分離序列數(shù)數(shù)SR和分離子問題數(shù)和分離子問題數(shù)U，有下列極限存在：，有下列極限存在：4lim1 RRNSS1lim1 RRNUU6.1.

10、4 分離序列方案評價分離序列方案評價 分離序列的評判指標可以認為是其中所有獨立分離序列的評判指標可以認為是其中所有獨立分離單元評價簡單加和。分離單元評價簡單加和。獨立分離單元評價指標：獨立分離單元評價指標：一般應(yīng)與設(shè)計條件下的一般應(yīng)與設(shè)計條件下的年年度費用度費用關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)為簡化計算，常采用：為簡化計算，常采用：分離易度系數(shù)（分離易度系數(shù)（CES）分離難度系數(shù)（分離難度系數(shù)（CDS）分離易度系數(shù)分離易度系數(shù)：f塔頂、塔釜產(chǎn)品摩爾流率比，塔頂、塔釜產(chǎn)品摩爾流率比， 1兩分離組分的沸點差兩分離組分的沸點差 ， 或或 相鄰兩分離組分的相對揮發(fā)度或分離因子相鄰兩分離組分的相對揮發(fā)度或分離因子CES越大，輕

11、、重關(guān)鍵組分越易被分離越大，輕、重關(guān)鍵組分越易被分離 fCESbT 100)1( WDDWWDWDf/2022-5-22化工過程分析與合成19分離難度系數(shù)分離難度系數(shù)：(xlk/ xhk)D輕、重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)哪柗謹?shù)比輕、重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)哪柗謹?shù)比(xlk/ xhk)W輕、重關(guān)鍵組分在塔底的摩爾分數(shù)比輕、重關(guān)鍵組分在塔底的摩爾分數(shù)比lk, hk相鄰輕、重關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度相鄰輕、重關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度D、W塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾流量塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾流量CDS越小，輕、重關(guān)鍵組分越易被分離越小，輕、重關(guān)鍵組分越易被分離 WDWDWDDhklkxxxxCDSWhklkDhklk1,log

12、log 2022-5-22化工過程分析與合成20對特定分離序列，其中獨立分離單元對特定分離序列，其中獨立分離單元CES總和總和越越大或大或CDS總和總和越小，該分離序列就更優(yōu)；越小，該分離序列就更優(yōu)；反之反之實際工程設(shè)計中，尋求最優(yōu)分離序列不僅要考慮實際工程設(shè)計中，尋求最優(yōu)分離序列不僅要考慮總分離費用最小，還需要考慮很多總分離費用最小，還需要考慮很多其他因素其他因素，比，比如環(huán)境因素等。如環(huán)境因素等。2022-5-22化工過程分析與合成21v數(shù)學(xué)規(guī)劃法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法和直觀推斷直觀推斷法法：適用于無初始方案適用于無初始方案下的分離序列綜合下的分離序列綜合直觀推斷法直觀推斷法得到的分離序列有時是局部

13、最優(yōu)解得到的分離序列有時是局部最優(yōu)解或近優(yōu)解。其中大多數(shù)方法必須與調(diào)優(yōu)法結(jié)合，或近優(yōu)解。其中大多數(shù)方法必須與調(diào)優(yōu)法結(jié)合，派生一些方法，如派生一些方法，如直觀推斷直觀推斷- -調(diào)優(yōu)法。調(diào)優(yōu)法。v調(diào)優(yōu)法調(diào)優(yōu)法：適用于有初始方案適用于有初始方案下的綜合問題下的綜合問題初始方案的產(chǎn)生可依賴于初始方案的產(chǎn)生可依賴于直觀推斷直觀推斷法或現(xiàn)有生法或現(xiàn)有生產(chǎn)流程。更適于對老廠技術(shù)改造和挖潛革新產(chǎn)流程。更適于對老廠技術(shù)改造和挖潛革新6.2 分離序列綜合經(jīng)典方法分離序列綜合經(jīng)典方法2022-5-22化工過程分析與合成22根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則進行系統(tǒng)綜合的方法。根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則進行系統(tǒng)綜合的方法。這些規(guī)則雖這些規(guī)則雖然沒有較強

14、的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但大多含有一定的理論然沒有較強的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但大多含有一定的理論依據(jù)，實用依據(jù)，實用由于直觀推斷規(guī)則對問題空間進行由于直觀推斷規(guī)則對問題空間進行約束劃分約束劃分，從，從而而顯著縮小了搜索范圍顯著縮小了搜索范圍，簡捷高效，簡捷高效直觀推斷規(guī)則來自分離過程普遍性規(guī)律，沒有考直觀推斷規(guī)則來自分離過程普遍性規(guī)律，沒有考慮分離過程特殊性問題，可產(chǎn)生近優(yōu)分離序列慮分離過程特殊性問題，可產(chǎn)生近優(yōu)分離序列6.2.1 直觀推斷直觀推斷 有序直觀推斷有序直觀推斷 Ordered Heuristic Method 首先把直觀推斷規(guī)則按重要程度排序，然后首先把直觀推斷規(guī)則按重要程度排序，然后按次序逐步使用這

15、些規(guī)則綜合分離序列按次序逐步使用這些規(guī)則綜合分離序列 2022-5-22化工過程分析與合成23包括四類規(guī)則：包括四類規(guī)則：分離方法的規(guī)則（簡稱分離方法的規(guī)則（簡稱M類規(guī)則）類規(guī)則） 主要是在分離序列綜合設(shè)計中，確定最好采用哪主要是在分離序列綜合設(shè)計中，確定最好采用哪一類分離方法一類分離方法設(shè)計規(guī)則（簡稱設(shè)計規(guī)則（簡稱D類規(guī)則）類規(guī)則） 決定最好采用那些具有特定性質(zhì)的分離序列決定最好采用那些具有特定性質(zhì)的分離序列組分性質(zhì)相關(guān)規(guī)則（簡稱組分性質(zhì)相關(guān)規(guī)則（簡稱S類規(guī)則）類規(guī)則） 根據(jù)欲分離組分性質(zhì)的差異而提出的規(guī)則根據(jù)欲分離組分性質(zhì)的差異而提出的規(guī)則組成相關(guān)規(guī)則（簡稱組成相關(guān)規(guī)則（簡稱C類規(guī)則）類規(guī)

16、則） 表示了進料組成及產(chǎn)品組成對分離費用的影響表示了進料組成及產(chǎn)品組成對分離費用的影響 按順序使用按順序使用2022-5-22化工過程分析與合成24(1)M1規(guī)則：規(guī)則：在所有分離方法中，優(yōu)先采用在所有分離方法中，優(yōu)先采用ESA(如精餾如精餾)，盡量避免使用，盡量避免使用MSA(如萃取如萃取) 當(dāng)關(guān)鍵組分間的當(dāng)關(guān)鍵組分間的M2D1S1S2C1C2。2022-5-2274分離序列的經(jīng)驗法使用中，直觀推斷過程的實質(zhì)是根據(jù)存在相互沖突的規(guī)則進行主觀權(quán)衡，有序直觀推斷法雖然解決了規(guī)則相互沖突問題，卻無法定量刻劃專業(yè)術(shù)語中出現(xiàn)的模糊概念。如果應(yīng)用模糊理論可以定量描述規(guī)則中出現(xiàn)的模糊概念。通過分析有序直觀

17、推斷各規(guī)則的含義擬用規(guī)則S2、規(guī)則C1和規(guī)則C2。選擇兩個可量化的關(guān)鍵因素：揮發(fā)度和組分分數(shù)。為了涵蓋對應(yīng)模糊規(guī)則，定義重組判據(jù)參數(shù)：歸一化相鄰組分相對揮發(fā)度a ，相對相鄰關(guān)鍵組分濃度變化r 和組分子群摩爾分配比f 。2022-5-2275考慮a、r和f重要程度以及各模糊規(guī)則地位區(qū)別，在等權(quán)重情況下相應(yīng)采取重要性順序產(chǎn)生模糊規(guī)則庫。由于期望輸出為特定數(shù)字序列，顯然采用Sugeno推理模型符合特征要求。具體如下：1if(a is large)and(r is large)and(f is superior)then(order is 0.00) 12if(a is large)and(r is

18、large)and(f is inferior)then(order is 0.25)13if(a is large)and(r is small)and(f is superior)then(order is 0.50) 14if(a is small)and(r is large)and(f is superior)then(order is 0.75)15if(a is large)and(r is small)and(f is inferior)then(order is 1.00) 16if(a is small)and(r is large)and(f is inferior)th

19、en(order is 1.25)17if(a is small)and(r is small)and(f is superior)then(orderis 1.50) 18if(a is small)and(r is small)and(f is inferior)then(order is 1.75) 12022-5-2276對各輸入變量選用Gauss型隸屬函數(shù)，在Sugeno模糊推理系統(tǒng)中，判據(jù)參數(shù)a屬于large和small這兩個模糊集合隸屬函數(shù)曲線，判據(jù)參數(shù)r屬于large和small這兩個模糊集合隸屬函數(shù)曲線，判據(jù)參數(shù)f屬于superior和inferior這兩個模糊集合。2022

20、-5-22772022-5-2278模糊推理系統(tǒng)輸入隸屬函數(shù)曲線形式模糊推理系統(tǒng)輸入隸屬函數(shù)曲線形式精餾分離序列綜合精餾分離序列綜合Sugeno模糊推理系統(tǒng)推理過程模糊推理系統(tǒng)推理過程2022-5-2279精餾分離序列綜合問題計算結(jié)果組分組分相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度 arf計算結(jié)果計算結(jié)果氫氣2.300.090.010.041.62空氣1.130.050.120.091.46二氧化碳2.370.100.140.101.40甲烷2.140.090.150.161.41一氧化碳1.380.060.150.161.44乙烯1.430.060.090.241.44乙烷2.690.110.940.271.19丙烯1.090.040.880.860.94丙烷2.320.100.320.731.14異丁烷1.060.040.180.391.4異丁烯1.020.040.130.241.45正丁烯1.170.050.040.181.48正丁烷1.020.040.010.141.5順丁烯1.070.040.060.111.