分离序列(过程分析与合成).pdf

5精馏系统的合成(DistillationSystemSynthesis)5.1问题背景•精馏是流程工业中应用最广泛的分离技术✓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。✓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。✓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%。精馏系统的合成分离序列的合成能量集成的分离序列的合成•优化混合物中组分的分离顺序：•合成能量集成的精馏分离序列✓采用直接分离序列或间接分离序列导致组合方案庞大✓不同分离顺序对应的流程费用差别显著Numberofcomponents（N）Scheme1Scheme232645205141826422362713215974104862解决精馏系统合成问题的方法:•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，很快找到最优解经验规则法（启发法，Heuristicsrule）规则１优先分离危险或腐蚀性组分规则２当关键组分之间相对挥发度小于1.05时不采用精馏规则３仅当大幅度提高相对挥发度（如增加６倍以上）时采用萃取精馏规则４优先最容易的分离规则５优先分离量最大的组分规则６优先直接分离序列规则７优先产品流股在塔顶的序列规则８上述规则按重要性排列5.2过程评价与分离序列的优选•流程方案的评价（一般可使用年度总费用）：通过塔的设计计算，获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。•费用的表示及流程初步评价一般情况下，精馏系统的操作费用比设备投资费用要大很多；（操作费用主要由塔内热公用工程的加入量和冷却剂的消耗来决定）精馏塔的最优条件，即最优气相流率：一般取1.2倍的最小气相流率为最优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的大小代替费用的数值对塔的经济性做出评价。5.2过程评价与分离序列的优选•目标–寻找总气相流率最小的精馏分离序列：5.2.1计算精馏塔最小气相流率✓比较理想的物系；D✓相对挥发度可认为常数；VL✓恒摩尔流。LFVUnderwood方程计算最小气相流率LVB5.2.1最小气相流率的计算（Underwood方程）αi,kf1qFD∑i=(−)VLiαi,k−φLαFVR1Di,kdVmin=(min+)=∑iiαi,k−φLVαV=RB=−i,kbminmin∑iiαi,k−φB（饱和液体进料时，）Vmin=VminF进料流率L,V精馏段气、液相流率D塔顶产品流率Vmin精馏段最小气相流率塔底产品流率提馏段最小气相流率BVminf组分i的进料流率R最小回流比iminLmin/Dd塔顶产品组分i流率iRmin最小再沸比Vmin/Bbi塔底产品组分i流率αik相对挥发度q进料热状态φUnderwood方程(1)的根TheshortcutmethodforcalculatingminimumrefluxisthemethodofUnderwood(1948).Thismethodisbasedontwolimitingassumptions:constantmolaroverflowwithineachcolumnsection,andconstantrelativevolatilitiesthroughoutthecolumn.Itiseasytouse,withonlyrecoveriesoftwokeycomponentsandthermalconditionoffeedneedingtobespecified.Thismethodisapplicabletosimpledistillationcolumns,i.e.single-feedtwo-productcolumnswithasinglecondenserandasinglereboiler.Theminimumcondenserandreboilerdutiesandalsotheminimumvapourflowratesincolumnsectionsareobtainedfromtheca