精馏系统的综合21-24

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1、第六章精馏网络系统的合成一、基本问题与概念二、精馏网络的评价方法三、精馏网络合成的分支界定法四、精馏网络合成的经验规则法一、基本问题与概念精馏是流程工业中应用最广泛的分离技术虽然如此，精馏在工业上的应用远远超过其他任何一种分离技术，是大型流程工业中的首选通用分离技术；有90%-95%的产品提纯和回收由精馏来实现。技术成熟、可靠和有效：精馏通常只需要提供能量和冷却剂就能得到高纯度的产品，操作比较简单，一般比较经济。流程工业领域，特别是在化工以及石化、炼油等工业，在可预见的未来尚不可能被其他技术所替代。精馏是

2、能耗最大的分离过程之一，在大型流程工业中所占能耗比例可超过40%。过程系统合成的思想应用于精馏过程，包括两方面：（1）优化混合物中组分的分离顺序——精馏分离序列的合成（2）应用热集成概念和夹点分析方法合成精馏过程的换热网络等。分离序列合成基本问题分离一个三组分混合物A、B和C直接序列：A/BC,B/C(由轻组分到重组分）间接序列：AB/C,A/B(由轻组分到重组分)对于更多组分的精馏过程，由这种分离顺序的不同而导致的组合方案(分离序列数）非常庞大，不同的顺序所对应的费用差别也非常显著。当把热集成问题也考虑

3、其中时，问题的规模指数增长，即所谓“组合爆炸”例：10组分，4862个分离流程，2489344个(考虑热集成的分离流程)。因此，对于分离多组分混合物来说，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。解决精馏系统综合问题的方法:经验规则法数学规划法优点：使用非常简便，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。缺点：缺乏严格的理论基础，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。最有代表性的数学规划算法：分支定界法该方法是解整数规划问题的

4、一种有效方法，能够严格地排除大量不可行流程方案的计算，使需要计算的方案数大大减少，很快找到最优解。对候选流程进行评价的目标函数评价费用：通过塔的设计计算，求得所需要的操作参数（温度、压力、回流比、热负荷等）和设备参数（塔板数、塔高、塔径、换热器面积等），并计算出总费用。鉴于精馏过程的复杂性，使用严格的模拟和设计方法是不现实的（需要大量的迭代计算）。简化的方法—费用数值不够精确，但足以评价流程的优劣。用能耗表示费用：一般情况下，精馏系统的操作费用（主要由塔内蒸汽的加入量和冷却剂的消耗来决定）比设备投资费用要

5、大很多;精馏塔的最优条件—最小气相流率：气相流率可反映精馏塔的费用——1.2倍的最小气相流率为塔内实际气相流率。冷凝器和再沸器的热负荷与塔内汽相负荷近似成正比关系；（实际上，塔径、换热器面积与汽相负荷也有关系）因此，可以用塔内汽相负荷（Vaporload）的大小代替费用的数值对塔的经济性做出评价。基本概念简单精馏塔：一个进料，塔顶、塔底出料，费用低；复杂精馏塔：内部热集成塔，费用高。顺序表精馏操作，沸点从低到高，萃取操作，组分在溶剂中的溶解度进行排列。清晰分割例：A/BCD，表示A、B分别为轻重关键组分，

6、C、D为非关键组分，比C还要重的D只出现在塔底，AB间有一定分配，塔顶产品99%A，1%B，塔底产品1%A，99%B，100%的C与D。二、精馏网络的评价方法（1）最优化目标--总气相流率最小：多组分Underwood方程（两个假设）恒定的相对挥发度恒摩尔流：方程的根-=-iiikikFqf)1(faa=-=+iiikikVdDRminmin)1(faa=--=iiikikVbBRminminfaa相对挥发度的选取：进料组成气化率50%时的值。进料fi及塔顶di塔釜bi组成计算nC5nC6nC7n

7、C6nC7ABnC5nC6nC5nC6nC7原料mol/s产品1富含C5产品2富含C6产品3富含C7C53099%,29.850.5%,0.150C6301%,0.399%,29.71%,0.4C74000.5%,0.1599%,39.85产品1产品2nC5nC6nC7产品3直接分离序列求值：假定泡点进料q=1C5/C7=5.51,C6/C7=2.32求解方程的根为3.462,1.462求最小气相流率：选取两个相关组分相对挥发度之间的值进行计算塔A塔B求解方程的根为1.464nC5nC6nC7nC6n

8、C7ABnC5nC6nC5nC6nC7nC5nC6nC7产品1产品2产品3塔A塔B求总气相流率：78.3+81.2=159.5mol/s-=-iiikikFqf)1(faa=-=+iiikikVdDRminmin)1(faa同理间接分离序列，总气相流率183.1mol/s，可得直接分离序列由于间接分离序列。nC5nC6nC7A’B’nC6nC7nC5nC6nC5nC6nC7nC5nC6nC7-=Fq)1(-iiikikd