化工系统工程 第八章 化工过程系统的合成.ppt

第八章 化工过程系统的合成 过程系统分析和过程系统合成是化工设计的两大主要手段。 考虑两个方面问题： 如何选择最佳的单元操作设备； 如何优化组织各种单元操作构成最佳工艺路线。 研究内容：主要包括反应路径的合成、分离序列的合成、反应器网络的合成、换热网络的合成、公用工程系统的合成、资源分配网络的合成、生产全流程的合成以及控制系统的合成等。 8.1 过程合成的基本概念 目的：从大量的可行方案中挑选一个或几个最优或次优的方案。 一般过程合成步骤： 确定研究对象的描述方法和目标——描述问题； 建立评价过程系统的目标函数——评价方法； 将过程系统视为若干相互关联的子系统的组合——分拆单元； 用穷举或联想的方法构造可达到过程目的的候选过程系统——列举系统； 对各候选过程系统进行评价，选出最优（或局部最优）的过程系统——选优策略。 8.1 过程合成的基本概念 初始流程可从： 一、某一可行初始流程出发有哪些信誉好的足球投注网站寻找其他改进流程，从而找到局部最优解——调优合成法：用直觉修正或算法修正。 二、在无初始流程的情况下，寻找最优流程——分支（分枝）定界法：近期发展，该方法可较严格地排除大量的不可行的流程方案可的繁琐计算，可大大减少要详细计算的方案数，很快找到最优解，是一种无需穷举的系统合成策略。 8.1 过程合成的基本概念 调优合成法步骤： 首先找到或构造一个化工流程的初始方案作为新系统合成的出发点； 建立评价该化工流程的目标函数； 寻找该初始方案中对系统经济性最不利的那些单元或子系统，并对这些单元或子系统进行改进和优化。 将已改进的单元和子系统与初始方案中的其余部分重新连接起来，构造成一个改进的新流程； 计算新流程的目标函数，判别是否优于本次改进前的流程，如是，则以新流程作为以后比较的基准，重复以上步骤直至找不到更好的流程为止。 8.2 分离序列的合成 8.2.1 分离序列的基本概念 分离序列 将输入的多组分原料分离成某些既定组成的产品的分离排序。 目的：在分离单元本身最优的前提下寻找分离总费用最低的分离排序——最优的分离序列。 锐分离器与组分排列 锐分离器：只有一股进料，两股出料，且每种组分只在一股出料中出现的分离器。 组分排列：把组分按分离方法中的关键物性的数值以大小次序排列起来的组分。例如：蒸馏操作——沸点；精馏——相对挥发度或沸点；萃取——溶解度。 目的：有助于相邻组分间识别可能存在的锐分离。 8.2.1 分离序列的基本概念 分 离序列数 有N种组分进料分离成N个纯组分的分离，用P种分离方法的分离序列数Z为： 8.2.1 分离序列的基本概念 分离子问题——实际分离单元 计算分离子问题数的通式： R=(N2-1)N/6 分离序列树 目的：可能的分离序列。 8.2.1 分离序列的基本概念 合成策略——两种： 用某些简单而又带有普遍性的经验规则来判断和删除那些明显不合理的分离子问题和与之相应的分离序列，或利用这些经验现则产生若干个较好的候选序列，再通过精确评价最终确定局部最优的分离序列。 首先用相对简单但又不失一定精度的简化算法计算粗略的目标函数（如易分离系数、分离难度系数）来大致评判竞争对象的相对优劣，达到先期淘汰大部分确无竞争力的分离子问题或分离序列的目的，再用严格算法计算精确的目标函数，从而作出最后的选择。 8.2.1 分离序列的基本概念 经验规则 分离方法的优先规则：优先考虑采用能量分离的方法。 有关分离组分特性的规则：首先分离具有易爆、强腐蚀、剧毒等危险性较大的组分，最后分离难于分离的组分。 分离次序经济性规则：避免大流量反复蒸发、冷凝，优先分离大量的组分；节约总能耗，塔顶、塔底产物的摩尔流量越接近越好，同时要考虑切割点的关键组分具有合理的相对挥发度，故以易分离系数或分离难度系数为判据指标进行初步筛选。 8.2.1 分离序列的基本概念 易分离系数： 分离难度系数： 8.2.2 分支定界法合成分离序列 合成策略和主要步骤： 明确分离要求，表达分离问题，确定目标函数。 根据分离要求，列出分离问题所包含的分离子问题。 按每级分离子问题均为最佳分离子问题的原则导出基本分离序列。 用简便不失真目标函数计算基本分离序列的目标函数值。 设定初选目标函数上界。用目标函数值乘以一个安全系数，可取1.05～1.10。 逐步画出可能的分离序列树。分枝并有哪些信誉好的足球投注网站最优分离序列，舍去目标函数值大于上界的分枝及其下属分离序列，最后留下少数几个最具竞争力的分离序列。 用严格精确的目标函数计算方法计算这几个最具竞争力的分离序列的目标函数，比较可得到最优分离序列。 8.2.2 分支定界法合成分离序列 例8.1 六组分混合物的分离序列合成。 总流量为 678kmol/h，压力为 55.2kPa，进料温度为53.9℃，要求分离成A、C、F、B