精馏过程的节能优化综合ppt课件.ppt

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1、化学工程与工艺专业本科生专业课,化工分离工程,分离过程的节能、优化及综合,第一节：精馏过程用能特性及热 力学分析第二节：分离过程操作参数的优化第三节：精馏过程节能技术第四节：分离过程的综合,蒸馏只需要提供能量和冷却剂就能得到高纯度的产品，操作简单成熟，是石油和化工等过程工业中应用最广的分离操作（据估计，90%95%的产品提纯和回收由蒸馏来实现）。然而，正是因为蒸馏的实现需要以能量作为过程进行的推动力，其能量消耗在整个过程工业中占有重要的位置。有人估计，分离过程的能耗中95%是蒸馏过程消耗的。,引言、 分离过程节能的重要性,在石油化工企业中，分离过程不仅设备投资费用大（一般占总投资50一90%）

2、，并且能耗高（大约占整个化学工业用能的40%）。特别是以能量为过程推动力的分离单元（蒸馏、汽提、蒸发、蒸出等），能耗占化工过程总能耗的60%以上。,美国曾经统计（1999年）全国40，000多个精馏塔所消耗的能量相当于每天1.9亿升石油，几乎占全国能耗的3%。我国目前精馏塔的数目已超过10万个（2003年数据）。,DistillationThere is no alternative, we must make it better!,引言（三） 、什么是分离过程节能、优化和综合,通常所说的节能主要指降低能量消耗或操作费用。任何过程节能是基于系统热力学分析提出的（热力学第一定律和第二定律），节能

3、不仅表现在数量上，更表现在品位上，同时要明确节能和节钱的概念。,分离过程的优化包括分离方法的选择、流程结构的优化和操作参数的优化等。优化的目标通常是系统的经济性，还包括多个目标的优化（安全性、操作性、对环境的影响等）。优化不仅可能节能，同时一定节钱。,过程综合（过程合成，Process synthesis ）是按照规定的设计要求，寻求所需系统的结构及各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。在设计新建工厂时，运用系统综合方法可以从众多的方案中选择、设计出一个或几个较优的流程结构方案供设计参考。过程综合是当今工程节能的主要手段。,第一节 精馏过程用能特性及热力学分析,从热力学第一定律分析

4、(能量的数量），精馏中再沸器加入的热量QR又同时被塔顶冷凝器的冷却剂取走，所以能量的浪费非常大(只利用5%)。据此，回收和利用塔顶蒸汽的冷凝热是精馏过程节能需要考虑的重点问题之一。此外，显热利用和加强塔的保温绝热等也是需要考虑的重要环节。,1-1 热力学第一定律分析,对精馏系统做热量衡算得：,潜热利用,第一节 精馏过程用能特性的热力学分析,1-2 热力学第二定律分析,第一节 精馏过程用能特性的热力学分析,But, TreboilerTcondenser,1-2 热力学第二定律分析,精馏过程是一个不可逆过程，再沸器输入高品位的能量而冷却水带走的为低品位能量,即能量贬值。从热力学第二定律（能量的品

5、位） 分析，节能的关键在于提高系统的有效能（火用）或热力学效率。,能量驱动的精馏过程示意图,过程所消耗的有效能Wnet（或净功耗）和热力学效率为：,由于实际的分离过程都是不可逆的，所以热力学效率总是小于1。,可逆过程分离需要的最小功,第一节 精馏过程用能特性的热力学分析,(a) 流体流动阻力造成的压降损失;(b) 相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流间的混合造成的有效能损失。(c) 不同温度两相物流间的传热或不同温度物流间的混合造成的有效能损失等。,第一节 精馏过程用能特性的热力学分析,造成精馏过程有效能损失的原因：,由以上分析可知，利用精馏过程的汽体冷凝潜热、构造可逆的分离塔结构、减少流体

6、流动的阻力、减少每块板上传质、传热推动力等都是提高精馏系统能量效率的主要途径。,本章内容围绕此分析结论展开！,第二节 分离（精馏）过程操作参数的优化,第二节 精馏过程操作参数的优化,1 选择合适的操作压力,在分离多组分混合物时，调节压力还是解决精馏塔之间、塔和过程其它部分之间进行热集成的最有效手段。,操作压力对精馏过程的影响表现：,（1）塔顶蒸汽冷凝温度和塔釜加热温度（2）组分间的相对挥发度（3）塔的操作费用和造价,操作压力的确定在第二章多组分精馏塔的简捷设计中已有详细说明！,第二节 精馏过程操作参数的优化,2 选择合适的回流比,总费用,设备费,操作费,费用,回流比 R,Ropt,Rmin,经

7、验回流比范围,此值已从原来平均的1.2降低到现在的1.12!,第二节 精馏过程操作参数的优化,3 选择合适的进料热状态,当塔的能量受提馏段支配（再沸器负荷）时，进料的预热使q变小，从而可以减小提馏段的蒸汽负荷和节省再沸器中蒸汽加入量。当塔的能量受精馏段支配（冷凝器负荷）时，进料的冷却使q增大，从而可以减小冷凝器中冷却剂的加入量。对于具体的分离问题，最佳进料热状态需要根据经济效益来确定。,对乙烯精馏塔，进料预热好还是冷却好？,第二节 精馏过程操作参数的优化,4 选择合适的组分回收率,组分回收率和要求的产品纯度有直接关系。对于单个塔来说，若用户对塔顶和塔底产品的纯度都有要求，则产品的回收率也已确定

8、，若用户仅指定一种产品的纯度，则设计人员可以根据经济分析决定产品的回收率。对于多塔分离过程，虽然对产品的纯度有具体要求，但每个塔的产品回收率并不是唯一的，此时正确选定各塔的回收率有重大的经济意义。此外，在精馏过程中考虑预分馏塔等结构时，常采用非清晰切割代替清晰切割，这时组分的回收率的优化更为重要。,第二节 精馏过程操作参数的优化,综上，在已有塔（建成）的基础选择适当的操作条件均可取得一定程度的节能效果（节能最多达20%）。研究还表明，在某些情况下优化操作参数比改变分离流程的节能效果更为显著！,说明：过程技术水平的高低主要取决于过程设计的水平。一般而言，一套装置的经济效益，在设计阶段可能有30以

9、上的改进空间，而在运行阶段只可能有520的改进空间，即依靠优化装置的操作参数实现过程节能毕竟是有限的，更多情况需要从塔的结构（流程）设计方面达到优化和节能。,第三节 精馏过程的节能技术,说明：本节讲述的节能技术（方法）是指在单一简单塔的基础上，通过改变塔的结构或改变流程来实现能量合理利用的技术，即改变结构或工艺的节能技术，并且节约的程度是同简单塔进行比较得出的。,3-1 热泵精馏,热泵（Heat Pump）是一种靠消耗外部功将低温位的热源提高到高温位来使用的装置，或从低温热源吸收热量，而到高温热源放出热量的装置。,在现实生活中，热泵技术广泛应用于空调领域。,问题:家用户式空调为什么称之为空气源

10、热泵?空调的主要部件有哪些?空调中的致冷剂(工质)的作用是什么? 常用的致冷剂是什么?空调实现供热(供冷)的原理是什么?空调的效率（COP）主要取决于什么？什么是水源热泵?地源热泵?海水源热泵？为什么这些热泵的COP要比空气源热泵高？,空气源空调（热泵）致热模式,室内（高温热源）,室外（低温热源）,问题：能否用其它热源？,空调的效率（COP）主要由什么确定？,空气源空调（热泵）致冷模式,问题：能否用其它冷源？,为什么冷凝器在45度高温下操作？,室内（低温热源）,室外（高温热源）,通过热泵（输入电功），将塔顶蒸汽物料（低温热源）提高到适当温位来直接作为再沸器的加热热源，以此来减少外部加热和冷却的

11、公用工程消耗。热泵精馏常有三种方式。,（1）闭式A型热泵精馏,特点：,（I）使用外部工质（致冷剂）。致冷剂和塔顶蒸汽换热，并经压缩升温后作为再沸器的热源。,（II）一个冷凝器（蒸发器），一个再沸器（冷凝器）,问题：如塔顶温度为20 ，塔底温度为30 ，则压缩机出口高压蒸汽的温度不低于多少？节流阀出口低压液体的出口温度不高于多少？,3-1 热泵精馏,（2）开式A型热泵精馏,特点：,（I）塔顶汽相产品直接作为工质（致冷剂），即塔顶汽相蒸汽经压缩后直接作为再沸器的热源，换热后液体经过减压后直接作为塔顶液相回流。亦称塔顶蒸汽压缩热泵系统。,（II）一个再沸器（冷凝器）,问题：如塔顶温度为20 ，塔底温

12、度为30 ，则压缩机出口高压蒸汽的温度不低于多少？节流阀出口低压液体的出口温度应为多少？,3-1 热泵精馏,（3）开式B型热泵精馏,特点：,（I）塔底产品直接作为工质（致冷剂），经过减压减温后直接作为塔顶蒸汽的冷却介质,换热后经过压缩后直接作为塔的汽相回流。亦称塔底液体闪蒸热泵系统。,（II）一个冷凝器（蒸发器）,问题：如塔顶温度为20 ，塔底温度为30 ，则压缩机出口高压蒸汽的温度应为多少？节流阀出口低压液体的出口温度应不高于多少？,3-1 热泵精馏,热泵精馏举例：分离丙烯丙烷混合物,常压沸点：丙烯（-47.5丙烷（-42.1 ）,3-1 热泵精馏,（1）塔为什么带压操作？（2）塔为什么操作

13、回流比很高？（3）塔采用何种冷却介质和加热介质？（4）要得到常压丙烯气体产品，需要哪些步骤？（5）要得到常压丙烷气体产品，需要哪些步骤？（6）为什么可以考虑采用热泵精馏？如何实现？,普通精馏系统：,塔顶低温热源直接利用！,热泵精馏举例：分离丙烯丙烷混合物,方案I：用外部丙烷致冷剂的热泵循环低温精馏流程,6.1689kPa,3-1 热泵精馏,（1）在热泵蒸发器中，哪两股流体换热？传热温差？（2）在塔底再沸器中，哪两股流体换热？传热温差？,方案II：塔顶蒸汽直接压缩的热泵精馏流程,热泵精馏举例：分离丙烯丙烷混合物,3-1 热泵精馏,（1）热泵的工质是什么？（2）在塔底再沸器（热泵冷凝器）中，哪两股

14、流体换热？传热温差？（3）为什么精馏塔需另加一个再沸器？,方案III：塔底液体闪蒸的热泵精馏流程,热泵精馏举例：分离丙烯丙烷混合物,3-1 热泵精馏,（1）热泵使用何种工质？（2）在热泵蒸发器（塔冷凝器）中，哪两股流体换热？传热温差？（3）为什么精馏塔需另加一个再沸器？,由数据可见，三种热泵系统的热力学效率均高于普通低温精馏，其公用工程费用明显低于普通精馏，其中用塔底液体闪蒸的热泵具有最高的热力学效率和最低的公用工程费用。,3-1 热泵精馏,第三节 精馏过程的节能技术,二次蒸汽,加热蒸汽,冷却水,完成液,料液,一效,多效蒸发,冷凝水,水,二效,三效,二次蒸汽,二次蒸汽,三效蒸发举例,采用多效蒸

15、发的目的是什么？,3-2 多效精馏,多效精馏（Multieffect Distillation）是从多效蒸发的概念中引伸出来，并根据塔内能量流动的热力学分析提出的一种节能型精馏结构。,用两个塔分离混合物，一个为低压塔，一个为高压塔，可以用高压塔的塔顶汽相产品直接作为低压塔再沸器的热源！,对于一个分离任务无论如何优化操作参数，其能量消耗都不会显著降低，而如果把这一分离任务“切割”，使原来的精馏塔分为多个（多效）分别在不同的压力下操作，则可通过不同温位换热器的热匹配来减少公用工程消耗量。,3-2 多效精馏,典型双效精馏流程,（1）高压塔的冷凝器也是低压塔的再沸器。（2）低压塔再沸器不需要外加能量，

16、其热量直接由高压塔塔顶蒸汽冷凝提供。（3）高压塔不需要外加冷却介质，其冷量直接由低压塔液体再沸提供。,热集成（热匹配）（Heat Integration),双效精馏流程类型,平流：分离任务：A|B（低压塔）-A|B（高压塔）并流（a）:分离任务：AB|B（高压塔）-A|B（低压塔）并流（b）:分离任务：A|AB（高压塔）-A|B（低压塔）逆流：分离任务：A|AB（低压塔）-A|B（高压塔）,3-2 多效精馏,并流(a)型,并流(b)型,逆流型,平流型,特征：（1）两塔的分离任务相同；（2）两塔使用3个换热器，高压塔的冷凝器也是低压塔的再沸器。（3）节能的原理是利用了塔顶汽体的潜热，但需要增加设

17、备投资。,典型的平流双效精馏流程,3-2 多效精馏,问题：如果低压塔采用常压操作，如何确定高压塔的操作压力？,热集成（热匹配）（Heat Integration),举例：甲醇水溶液的精馏分离,3-2 多效精馏,（浓度为重量百分数，进料及回流均为饱和液体）。,普通精馏,设计出逆流两效精馏流程，确定操作参数。,100,70,举例：甲醇水溶液的精馏分离,3-2 多效精馏,问题：（1）两塔的分离任务是什么？（2）如何确定高压塔压？（3）低压塔的塔底产品组成（A在塔底的回收率）对系统有什么影响？如何确定？,两效精馏举例：计算分离甲醇水溶液时，采用普通精馏和双效精馏所需热量之差别（QC+QR）。,3-2

18、多效精馏,p2=?,结果表明：采用两效精馏可节约能量达35%,第三节 精馏过程的节能技术,3-3 增设中间换热器,增设中间换热器节能原理,从精馏过程能量流动的特性看，塔内温度自塔顶向塔底逐渐升高，塔顶冷凝器中需输入最高品位的冷却介质，而在塔底再沸器中需输入最高品位的加热介质。对于操作条件极端的情况，精馏塔的塔顶和塔底均需要价格昂贵的公用冷却剂或加热剂，这使得系统操作费用非常高。对此类问题，可考虑采用中间换热器方案。,如普通精馏塔的塔顶温度为-10，不能用水冷却，需要用昂贵的致冷剂冷却（如液氨），如塔低温度为200，需要用高压蒸汽加热。此情况下,节能的关键是：需要考虑如何减少高品位制冷剂的用量和

19、高品位加热剂的用量，进而减少系统的操作费用!,3-3 增设中间换热器,在精馏塔中增设中间换热器（再沸器或/和冷凝器）还可减少过程的不可逆性，所以从从热力学第一和第二定律两方面来说，均可达到节能的目的。,增设中间换热器节能原理,在精馏塔中精馏段适当位置增设中间冷凝器提供部分低质的冷量（如冷却水），可降低塔顶高品位制冷剂的用量。,在精馏塔中提馏段适当位置增设中间再沸器提供部分低质的热量（如废热），可降低塔底高品位加热介质的用量。,3-3 增设中间换热器,增设中间换热器节能原理（热力学第一定律分析）,注意：从热力学第一定律分析，增设中间换热器的好处并不表现为总的热负荷有所减少，而在于高品位能源用量的

20、减少，因此应用时必须要有适当温位的更廉价的热源和冷却剂与其相配才能得益。,Q总=QC1+QC2+QR1+QR2,Q总=QC+QR,200QR=4.0 GJ/hCost=600$/h,3-3 增设中间换热器,200QR=3.0 GJ/hCost=450$/h,100QR=1.0 GJ/hCost=50$/h,举例,节约操作费用达17%,3-3 增设中间换热器,中间换热器对精馏操作的影响分析（热力学第二定律分析）,增设中间换热器后，传质推动力将减小，相应分离需要的塔板数将增大，设备投资费用将增大。,在精馏塔中增设中间换热器后，塔的操作线离平衡线的距离减少，传质推动力减小、从而降低了过程的不可逆性，

21、减小了有效能的损失，使系统的热力学效率得到提高。,如果在每块板上均设置一个中间换热器后，即形成所谓的“可逆精馏塔”,3-3 增设中间换热器,理想可逆精馏模型塔,“可逆精馏塔”的热力学效率最高，但在工业上是无法实现的。工业上增设中间换热器的数目并不多（13个）。,A reversible binary distillation column has heat supply along the stripping section and cooling along the rectifying section.,3-3 增设中间换热器,相邻板上设置中间再沸器模型图,问题：中间换热器如何增设？,说明

22、：增设中间换热器将破坏塔的操作平衡，塔内温度、组成和汽液相流量需要重新分布，同时增加了塔控制的复杂性。,3-3 增设中间换热器,问题：中间换热器如何增设？,3-3 增设中间换热器,采用热泵和中间换热器联合操作的节能型精馏塔,过程集成技术（Process integration technology),采用这种形式的热泵同连接塔顶和塔底的热泵具有什么优越性？,3-3 增设中间换热器,SRV精馏（内部热集成精馏系统）,Freshwater的思想,Freshwater D C. Thermal economy indistillation, Trans. Inst. Chem. Eng, 1951,

23、 29: 149,能否考虑：从精馏段取出热供提馏段使用，实现塔内部热量集成？,普通精馏塔：精馏段温度低，塔顶冷凝器中需输入最高品位的冷却介质;提馏段温度高，塔底再沸器中需输入最高品位的加热介质 。同时，系统传热温差最大，不可逆程度高，系统的热力学效率低。热泵精馏采用塔外部热集成多效精馏采用塔间热集成中间换热器从精馏段移出热量有利于精馏，从提馏段供热有利于精馏,SRV精馏（内部热集成精馏系统）,3-3 增设中间换热器,3-3 增设中间换热器,SRV精馏（内部热集成精馏系统),具有附加回流和汽相蒸发的精馏简称，由中间再沸、中间冷凝和热泵精馏技术发展形成的过程集成技术。,精馏段：上升蒸汽来自提馏段，

24、依靠外界电功（热泵系统的压缩机）实现高温、高压。提馏段：下降液体来自精馏段，依靠热泵系统的节流阀减压降温度后与其分离需要的压力和温度匹配。换热：精馏段（高温）和提馏段（低温）逐级进行直接换热，相当于在精馏段进行中间冷却（移出热量） ，在提馏段进行中间加热（供给热量），结果使系统传热温差减小，过程不可逆性减小，热力学效果提高。,汽体,液体,产品,产品,( secondary reflux and vaporization),3-3 增设中间换热器,SRV精馏,由于在精馏段不断移出热量，其结果是冷凝器的负荷降低；由于在提馏段不断供给热量，其结果是再沸器的负荷减小。依此，SRV精馏比普通精馏的公用工

25、程消耗量更低。,采用热泵，将精馏段和提馏段连接起来，实现连续操作。,3-3 增设中间换热器,SRV精馏（内部热集成精馏系统),这种节能流程目前的研究现状如何？是否已经实现工业化？,3-3 增设中间换热器,几个问题,（1）是不是所有的分离物系均可以采用中间换热器方案？哪类物系的分离更适合增设中间换热器？（2）中间换热器的数量多少是最好的？（3）如果设置中间换热器的数量确定了，在塔的哪个位置设置是最好的？（4）设置中间换热器是个组合优化问题，对此问题有无简单有效的设计方法？,研究文章,第三节 精馏过程的节能技术,在精馏过程节能中，采用热集成技术可以显著地降低系统的分离费用。然而，在许多实际的分离过

26、程中，由于受过程背景条件以及操作条件等的制约，并不是所有的精馏过程都能实现合理的热集成（如对近沸点的C4混合物的分离）。,3-4 采用复杂塔结构,当分离过程不能采用热集成方案时，设计者往往力图通过改变精馏塔的结构来降低系统的费用消耗。如果塔的结构突破传统的一股进料、两股产品及两个换热器的简单塔结构，则称其为复杂塔（complex column），如多股进料的塔、侧线直接采用产品的塔、含有热偶合的塔等。本节仅简单介绍热偶合精馏塔。,研究证明，分离过程中采用复杂精馏方案可以显著降低生产成本，但同时也使流程的设计、控制和操作等方面更加复杂。目前，复杂塔在工业上的应用已非常普遍。,热偶合精馏塔（the

27、rmal coupling distillation columns),在传统的简单精馏塔中，塔内汽液两相流动是靠冷凝器提供液相回流和再沸器提供汽相回流来实现的，这是精馏分离的必要条件，所以一个简单精馏塔必须要有一个冷凝器和一个再沸器。,在设计多个塔（两个以上）时，是否可以考虑：从某个塔内引出一股液相物流直接作为另一塔的塔顶回流，或从某个塔内引出汽相物流直接作为另一塔的汽相回流，这样一来可在某些塔中可避免使用冷凝器或再沸器，从而直接实现热量的偶合。,另塔提供液相回流,另塔提供汽相回流,所谓的热偶合精馏的构想就是在塔间直接通过汽、液互逆流动来进行物料输送和能量传递的流程结构。,3-4 采用复杂塔

28、结构,三产品热偶合精馏塔结构,3-4 采用复杂塔结构,这种塔结构比传统两塔序列有什么优越性？工业应用情况如何？,带有侧线精馏的热偶合复杂塔(Column with side rectifier),三产品热偶合精馏塔结构,这种塔结构比传统两塔序列有什么优越性？工业应用情况如何？,3-4 采用复杂塔结构,带有侧线汽提的热偶合复杂塔(Column with side stripper),-25.17x106Kcal/hr,HSR : 921 T/D (4.39 wt%),STM1 : 1313 Kg/hr,KERO : 1,333 T/D (6.35 wt%),STM2 : 1243 Kg/hr,L

29、GO : 3,822 T/D (18.2 wt%),STM3 : 3418 Kg/hr,RESIDUE : 11,375 T/D (54.16 wt%),1,10,15,28,31,38,43,49,56,STM4 : 11603 Kg/hr,161,o,C,1.41K,364,o,C,358,o,C,349,o,C, 1.85K,180,o,C, 1.53K,219,o,C, 1.68K,209,o,C,169,o,C,265,o,C,273,o,C, 1.76K,192oC,132oC,228oC,168oC,LSR : 3,549 T/D (16.9wt%),OFF GAS,CRUDE

30、: 21,000 T/D,-13.94x106Kcal/hr 376,130 Kg/hr,-9.14x106Kcal/hr 234,857 Kg/hr,-12.25x106Kcal/hr 298,087 Kg/hr,123oC,0.97K,60oC,0.97K,-27.80 x106Kcal/hr,-16.50 x106Kcal/hr,268oC,15oC,221oC,281oC,炼油厂常压精馏塔,3-4 采用复杂塔结构,3-4 采用复杂塔结构,三产品热偶合精馏塔结构,完全热偶合塔(Full thermally coupled column),带有预分馏器的三产品精馏塔,Dividing-Wa

31、ll Column (Kaibel, 1987),目前，这些节能型塔在工业上的应用并不普遍，但随着过程设计和控制技术的提高，其应用将日趋广泛。,第四节 分离过程的综合,4-1 分离序列综合的概念,问题：用简单塔分离ABC三组分混合物为三个纯组分，需要多个精馏塔，共有哪些方案？,直接顺序（A|BCB|C）,间接顺序（AB|CA|B）,问题：如果原料相同，产品要求相同，这两种分离顺序的分离费用相同吗？,问题：用简单塔分离ABCD四组分混合物为纯组分，需要多个精馏塔，共有哪些方案？,4-1 分离序列综合的概念,对于一定的混合物，指定产品要求，哪种方案最好（总费用最小）？,化工生产过程中，经常遇到多组

32、分混合物（N3)的分离问题，如裂解气的分离。如选择不同的组分分离顺序，则对应的分离费用有显著差别，依此，如何确定一个最优的分离顺序是过程设计者需要考虑的重点问题。这一问题亦称分离序列的合成（综合），在化工过程优化中占有非常重要的位置。,分离序列综合（合成）问题（King， 1972)：给定待分离混合物，已知进料的状态（组成、流率、温度和压力），规定分离（产品）要求，以系统的总费用（操作费用加设备费用）最小为目标，设计产品的分离顺序（流程）。,在本质上，分离序列的综合是一个最优化问题，属于混合整数非线性规划（Mixed-integer Nonlinear-Programming, MINLP）范

33、畴。求解此类优化问题时，一方面要找到最优的分离顺序；另一方面要是找到每个分离单元的最优设计值（设备参数和操作条件），即在分离流程最优化的同时，每一个操作单元的设计也要最优化。,1、分离序列综合的定义,4-1 分离序列综合的概念,组合爆炸问题,随着混合物中组分数N的增长，可供选择的分离序列数呈指数增长，即出现所谓的“组合爆炸”。数学上称此类组合优化问题为NP-完全问题，其求解的时间复杂性（算法执行基本操作的次数）和空间复杂性（算法执行期间占用的存储单元）随问题的规模呈指数增长。如何处理组合优化问题成为分离序列合成的关键难题之一，针对此，人们在长期的研究中提出了许多卓有成效的方法。,2、分离序列综

34、合的组合优化问题,4-1 分离序列综合的概念,研究方法,1、经验规则法,5、数学规划法,4、热力学分析法,2、进化调优法,3、人工智能技术,6、随机优化方法,3、分离序列综合问题的研究方法,4-1 分离序列综合的概念,想全部掌握这些方法可不容易啊！,第四节 分离过程的综合,4-2 用经验规则法合成精馏序列,经验规则法（Heuristic, Knowledge-based methods )也称启发法或直观推断法，它应用人们长期从工程实践中积累下来的经验和知识来排除和筛选一些不合理的组合方案，从而得到比较合理的分离流程。,用于最优精馏序列合成的几个著名的经验规则：（1）易分离的组分应放在前面分离

35、，难分离的应放在最后处理；（2）推荐将各组分按轻到重的顺序逐一分离（顺序分离）；（3）进料中占据分额大的产物应该首先分离出去；（4）最好采用塔顶馏出物和塔底产物流量近于等摩尔分配；（5）应将回收率要求很高的馏分放在塔系的最后进行分离。,五组分烃类分离序列合成举例,4-2 用经验规则法合成精馏序列,共需要几个塔？共有多少种可行的分离方案？,C3，iC4，nC4，iC5，nC5,五组分烃类分离序列合成举例,4-2 用经验规则法合成精馏序列,五组分烃类分离序列合成举例,4-2 用经验规则法合成精馏序列,根据规则（1）（易分离的组分应放在前面分离，难分离的应放在最后处理），哪些组分应先分离，哪些应后分

36、离？,塔1,塔4,中间两个塔如何安排啊？,五组分烃类分离序列合成举例,4-2 用经验规则法合成精馏序列,根据规则（2）（推荐将各组分按轻到重的顺序逐一分离），可以确定一种分离顺序。,这个顺序是最优的吗？根据规则（3）（进料中占据分额大的产物(nC5)应该首先分离出去），如何使用？ 根据规则（4）（最好采用塔顶馏出物和塔底产物流量近于等摩尔分配），如何使用？,最易分离的前面分离,次易分离，近等摩尔分配,最优序列,五组分烃类分离序列合成举例,4-2 用经验规则法合成精馏序列,C3，iC4，nC4，iC5，nC5,最难分离的最后分离,缺点：规则之间经常发生矛盾和含义不清，不能保证合成出最优的序列。,

37、优点：使用简便，不需要进行复杂的计算，一般能从大量可能的方案中筛选出一个或几个合理的或接近最优的序列。,4-2 用经验规则法合成精馏序列,为了克服传统的经验规则法和调优算法的一些局限性，二十世纪80年代兴起的人工智能技术使这些方法更加完善。在人工智能技术中，专家系统（expert system）的应用最为广泛。它可以认为是一种基于知识的计算机程序系统，研究者事先将有关专家的知识总结并形成一系列的规则，再将它们存入计算机（建立知识库），然后采用合适的控制策略，对规则进行推理、演绎、并作出最终的判断和决策。与专家系统并行的还有模糊逻辑方法和人工神经网络系统等，它们在分离过程综合研究中都得了到广泛的

38、应用。,第四节 分离过程的综合,4-3 应用热集成概念优化分离过程的换热网络,该图是一个分离4个组分的3塔精馏流程，由于分离任务不相同，冷凝器（塔顶汽相产品）和再沸器（加热介质）温度不相同，操作压力不相同，换热器的负荷也不相同。流程中有3冷凝器，采用水冷却，有3个再沸器，可采用不同的加热介质，该流程中存在多个不同温位的换热器，即形成一个换热网络。对于此类分离过程，可考虑采用热集成技术（不同温位换热器热匹配）来降低系统的能耗。,4-3 应用热集成概念优化分离过程的换热网络,当分离多组分混合物时，相互连接的多个塔由于其所完成的分离任务不同，因而常常在不同的温度和压力下操作。如果能用一个或几个塔的塔

39、顶蒸汽作为一个或几个塔的再沸器的热源，则可以显著地减小公用工程消耗量，从而达到节能的目的。热集成就是这样一个通过匹配不同温位的精馏塔冷凝器和再沸器而形成的换热网络。热集成是实现精馏系统能量优化利用的重要手段，是工业领域最有效的节能方法!,注意与多效精馏的区别。,举例：假定最小传热温差为10K，该流程能否实现热集成（冷凝器和再沸器热匹配）。如欲得到更大可能的热集成，应采用什么措施？,4-3 应用热集成概念优化分离过程的换热网络,举例：塔3和塔2可实现热集成。塔3可省去冷凝器，其冷却介质为塔2塔底液体。塔2再沸器不需要外加热量，其热量直接由塔3塔顶蒸汽冷凝提供。采用热集成不仅节约投资费用（省去换热

40、器），同时节约操作费用（塔2不需要外加热量，塔3不需要外加冷却介质）。,4-3 应用热集成概念优化分离过程的换热网络,举例：提高塔3的操作压力（提高温度），塔3同塔2换热后还可以与塔1换热，公用工程费用显著降低，系统实现更大热集成。,4-3 应用热集成概念优化分离过程的换热网络,T=380K,4-3 应用热集成概念优化分离过程的换热网络,说明：（1）如何进行热集成要综合考虑系统全局最优化问题，即要使分离过程的总费用最小。（2）在分离流程中，可行的热集成（热匹配）方案不是唯一的，热匹配的灵活性很大，由热匹配方式的不同而产生的组合数比分离序列本身的组合数要大得多。（3）热集成可以考虑层次优化方法，

41、首先找到好的分离序列，再在分离流程的基础上通过调节和优化塔的操作压力来实现热集成，但该方法不能达到全局最优化。（4）如果在分离序列合成的同步考虑热集成，该问题同时涉及到分离序列的优化、热匹配的优化及操作参数（压力，回流比等）的优化等问题，这时系统呈现大规模的组合特征和复杂的非线性行为，该问题的优化是过程系统优化极具挑战性的问题。,4-3 应用热集成概念优化分离过程的换热网络,同时考虑热集成的分离序列的综合举例,总分离序列数为4862：每个序列下允许的热匹配方案数为15120即总的组合方案数可达到81394742,研究论文I,计算程序,研究论文II,第四节 分离过程的综合,4-4 实现分离过程与

42、全系统的能量集成,通常一个化工过程可能同时包括反应过程、分离过程、换热网络和公用工程等几个子系统，如何实现全系统能量的最优集成？这样的问题现在能做到吗？,4-4 实现分离过程与全系统的能量集成,分离系统作为过程系统的一个子系统，必须与整个过程系统的能量利用相协调才能达到最终意义上的最优。如一大型化工联合装置可能包括反应过程、分离过程、换热网络和公用工程等几个子系统，如果按传统的方法将问题分解，依此进行各子系统的设计，就不能很好的协调各子系统之间的能量集成，从而很难实现总体的优化。分离过程与整个过程的能量集成实际上可以看作是一个全系统换热网络的综合问题，需要根据背景过程的能量特性来寻找合理的集成

43、方案。这也是目前各大型石化企业研究的重要问题，并且取得了非常显著的成绩。,节能是分离过程的重要问题，人们围绕能否节能、如何节能等问题进行了深入广泛的研究，相继提出优化混合物中组分的分离顺序、应用热集成概念优化精馏过程的换热网络、在分离过程中合理地使用热泵、采用多效精馏、设置中间换热器、以及使用复杂精馏塔结构等一系列节能手段。据报道，由于采用各种节能手段，我们化工装置的平均能耗比20年前减少了20%。,在分离过程的节能、优化和综合问题的研究方法上，人们已相继开发了经验规则法、调优法、人工智能技术、热力学分析法、数学规划算法等求解问题的策略手段。然而，从发表的文献和研究成果看，在处理更大规模分离过程方面仍缺乏有效的方法。普遍认为，分离系统本身的复杂性、系统的大规模组合特性导致的建模和求解复杂性、以及各设计子问题之间强烈的偶合行为等是这一问题求解的主要瓶颈和障碍。大规模分离过程的节能和优化的深入研究仍很有必要。,小结,化工分离工程讲授内容全部结束希望同学们认真复习，在考试中取得好成绩！祝同学们在以后的学习中再接再厉，再创佳绩！期望同学们把掌握的知识应用到科研和实践中去，让知识为我们创造价值和财富！,