分离序列(过程分析与合成).pdf

5 精馏系统的合成(Distillation System Synthesis)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 优化混合物中组分的分离顺序：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能量集成的分离序列的合成合成能量集成的精馏分离序列Number of components（N）Scheme 1Scheme 23 4 5 6 7 102 5 14 42 132 48626 20 182 2362 15974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，Heuristics rule）规则优先分离危险或腐蚀性组分 规则当关键组分之间相对挥发度小于1.05时不采用精馏 规则仅当大幅度提高相对挥发度（如增加倍以上）时采用萃取精馏 规则优先最容易的分离 规则优先分离量最大的组分 规则优先直接分离序列 规则优先产品流股在塔顶的序列 规则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）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。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F D B LLVVVL 比较理想的物系；相对挥发度可认为常数；恒摩尔流。Underwood方程计算最小气相流率F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B塔底产品流率提馏段最小气相流率fi组分i的进料流率Rmin最小回流比 Lmin/Ddi塔顶产品组分i流率最小再沸比 /Bbi塔底产品组分i流率ik相对挥发度q进料热状态Underwood方程(1)的根5.2.1 最小气相流率的计算（Underwood 方程）minRminVminVi,ki,kifi=1q()FVmin=Rmin+1()D=i,ki,kidiVmin=RminB=i,ki,kbii（饱和液体进料时，）Vmin=VminF D B LLVVVLThe shortcut method for calculating minimum reflux is the method of Underwood(1948).This method is based on two limiting assumptions:constant molar overflow within each column section,and constant relative volatilities throughout the column.It is easy to use,with only recoveries of two key components and thermal condition of feed needing to be specified.This method is applicable to simple distillation columns,i.e.single-feed two-product columns with a single condenser and a single reboiler.The minimum condenser and reboiler duties and also the minimum vapour flow rates in column sections are obtained from the calculations.The method gives good results for distillation systems with relatively ideal mixtures.已知混合物：流量：10 mol/s 各塔均泡点进料 组成：n-Pentane(正戊烷)20 mole%n-Hexane(正己烷)30 mole%n-Heptane(正庚烷)50 mole%要求获得3个产品：(假设每个产品中的杂质为其相邻组分)I:n-Pentane 99%II:n-Hexane 99%III:n-Heptane 99%例：三组分理想混合物的分离-设计费用最小的分离流程nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC6 nC7nC5 nC6 直接序列 间接序列IIIIIIIIIIII可行序列：I：含有99%n-C5,1%n-C6 II：含有99%n-C6,0.5%n-C5，0.5%n-C7 III：含有99%n-C7,1%n-C6nC5 nC6nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC6 nC7 直接序列 间接序列IIIIIIIIIIIIik，fi，di物料衡算Vmin=i,ki,kidii,ki,kifi=1q()F产品 I 组分流率产品 II 组分流率产品 III 组分流率直接序列 B塔进料间接序列 A塔进料n C50n C6n C70total2.0052.9605.0350.0150.0151.98522.982.9300.0500.0154.98552.950.0200.015 物料衡算：计算 di,fi nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC5nC6 nC7 nC6 nC7nC5 nC6 nC5nC6 nC7 nC6nC7nC5nC6 nC7nC5 nC6 nC7 直接序列 间接序列AABBIIIIIIIIIIII已知混合物：流量：10 mol/s 各塔均泡点进料 组成：n-Pentane 20 mole%n-Hexane 30 mole%n-Heptane 50 mole%由Underwood方程式解出 ：011332.232.2251.551.5=+5解出 ，得多解:,3.806,1.462,-对于两个序列的第一个塔()Fqfiiikik=1I.若采取直接序列，第一个塔首先分离nC5/nC6-nC7，6.4 mol/s0.0232.232.21.98551.551.5=+3.806Vmin=3.806iiikikmindV=计算第一个塔的最小气相流率：已知各组分相对挥发度 1,3=5.51,2,3=2.32,3,3=1取=3.806（进料相同）II.若采取间接序列，则第一个塔首先进行分离 C5-C6/C7，iiikikmindV=10.7 mol/s2.9532.232.2251.551.5=+1.462Vmin=1.4620.01511+1.462取=1.462，产品 I 组分流率产品 II 组分流率产品 III 组分流率直接序列 B塔进料间接序列 A塔进料n C51.9850.01500.0152n C60.0202.9300.0502.982.95n C700.0154.98550.015total2.0052.9605.035AABB计算第二个塔的最小气相流率：I.对于直接序列，求0112.9832.232.20.01551.551.5=+5得=1.553，8.9 mol/s2.9332.232.20.01551.551.5=+1.553Vmin=1.5530.015.111.553+()Fqfiiikik=1直接分离序列的最小总气相流率=6.4+8.9=15.3 mol/s（此塔分离nC5-nC6/nC7）II.对于间接序列，第二个塔分离nC5n/C6-nC7，求0112.9532.232.2251.551.5=+0.015得=3.5429，5.5 mol/s0.0232.232.21.98551.551.5=+3.5429Vmin=3.5429()Fqfiiikik=1若采取间接序列，可得最小总气相流率=10.7+5.5=16.2 mol/s小结最优化目标-总气相流率最小：计算精馏塔最小气相流率-多组分Underwood方程=iiikikFqf)1(=iiikikVdmin(5.1)(5.2)塔内气相流率可作为精馏流程优劣的评价标准，因此，评价精馏分离流程的过程就是逐一对各个流程总最小气相流率的计算过程。Vmin=ikikidiVmin=1q()F ikikibi=ikikibi5.2.2 边际气相流率（剩余气相流率）(marginal vapor flow)：=Fq)1(iiikikdiiikikb+=iiikikFqf)1(分析发现，无论直接还是间接分离序列，非关键组分对于总气相流率的贡献决定该序列分离费用的大小 直接序列 间接序列nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC5 nC6 nC7 nC6 nC7nC5 nC6 nC5nC6 nC7 nC6nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7AABB!#$%&+!#$%&=+=7C7C/7C7C/7C6C7C/6C7C/6C5C7C/5C7C/5CC7C7/C7C7/C7C6C6/C7C6/C7C5C5/C77/C5CBminAmin?mindddbbbVVV!#$%&+!#$%&=+=7C7C/7C7C/7C6C7C/6C7C/6C5C7C/5C7C/5C7C7C/7C7C/7C6C7C/6C7C/6C5C7C/5C7C/5CBminAmin?mindddbbbVVV塔的进料中，非关键组分对于总气相流率的贡献决定该塔分离费用的大小！A/BCAB/C7C7/C7C7/C7CminbV =?5C7/C5C7/C5CmindV =?77/77/7minCCCCCbV=nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC7nC5 nC6 nC5 nC6 nC7 nC6 nC7nC5 nC6 nC5nC6 nC7 nC6nC7nC5nC6 nC7nC5 nC6 nC7AABB57/57/5minCCCCCdV=因此，每个塔只须计算非关键组分对总气相流率的贡献，即可比较出分离费用的大小。77/77/7CCCCCf=57/57/5CCCCCf=进一步的简化-简化的算法求解 2hklk+=任何非关键组分 i 在某一塔内的剩余气相流率：ihklkikikf+2fi非关键组分i 的进料流率lk轻关键组分相对挥发度ik非关键组分i 的相对挥发度hk重关键组分相对挥发度其中：以上分析可推广到多组分，即分离序列中任一塔的剩余气相流率：+=ihklkikikfV2min注：组分 i为非关键组分由最小总气相流率得到的分离序列 边际(剩余)气相流率最小的精馏分离序列+=ihklkikikfV2min得到一种非常简单的对不同精馏顺序进行比较的方法：I.对所有存在于精馏塔进料中的非关键组分i 进行边际气相流率计算，II.总边际气相流率最小的分离序列即为最优分离序列。该方法主要适用于比较理想的物系，且精馏采用简单精馏塔作业：P402 第5 题?A/BCDEAB/CDEABC/DEABCD/EA,BB,CC,DD,EC,D,EA,D,EA,B,EA,B,C?I.?ihklkikikf+2?6212434332.fVCE/BE/AE/CE/CCmin=+=+=5672434222.fVDE/BE/AE/DE/DDmin=+=+=23102434112.fVEE/BE/AE/EE/EEmin=+=+=VminD=D/EC/EB/E+C/E2 fD=224+327=9.3组分fii/EA14.3B0.54C13D72E101 AB/CDE:VminA=A/EA/EB/E+C/E2 fA=4.34.34+321=5.3VminE=E/EE/EB/E+C/E2 fE=114+3210=4ABCDEA/B2.66.53.2B/C5.39.34.0C/D2.41.36.7D/E1.50.82.0 ABC/DE:ABCD/E:II.利用剩余气相流率判别最优序列ABCDEA/B2.66.53.2B/C5.39.34.0C/D2.41.36.7D/E1.50.82.0ABCDE根节点12.3 A/BCDE18.6 AB/CDE10.4 ABC/DE4.3 ABCD/E13.3 B/CDE8.0 BC/DE2.8 BCD/E2.0 CD/E6.7 C/DE6.7 C/DE20.332.327.69.3 B/CD1.3 BC/D24.416.4全部可行解参见p397 表11.625.320.6从根节点到终节点的路径代表一个完整的解决方案。?p?p?ABCDE根节点12.3 A/BCDE18.6 AB/CDE10.4 ABC/DE13.3 B/CDE8.0 BC/DE2.8 BCD/E2.0 CD/E中间节点末端节点6.7 C/DE6.7 C/DE20.332.327.69.3 B/CD1.3 BC/D24.416.4p?12.3 A/BCDE18.6 AB/CDE13.3 B/CDE8.0 BC/DE2.8 BCD/E6.7 C/DE2.0 CD/E9.3 B/CD1.3 BC/DABCDE6.7 C/DE2.0 CD/E?25.632.3?12.3 A/BCDE18.6 AB/CDE13.3 B/CDE8.0 BC/DE2.8 BCD/E6.7 C/DE2.0 CD/E9.3 B/CD1.3 BC/DABCDE6.7 C/DE2.0 CD/E12.3局部费用25.6部分费用32.3总费用末端节点中间节点根节点?ABCDE根节点12.3 A/BCDE18.6 AB/CDE10.4 ABC/DE4.3 ABCD/E13.3 B/CDE8.0 BC/DE2.8 BCD/E2.0 CD/E6.7 C/DE6.7 C/DE32.327.69.3 B/CD1.3 BC/D24.416.4?20.326.620.312.318.610.44.313.38.02.89.114.63.76.72.09.3 B/CD1.32.65.4ABCDEB/CDBC/DC/DECD/E2.65.4?25.632.327.615.124.416.413.08.010.6ABCD/E,ABC/D,A/BC?A/BCDEAB/CDEABC/DEABCD/EB/CDEBC/DEBCD/ECD/EC/DEBC/DA/BCAB/CA/BCDAB/CDABC/DA/BCAB/CA/BCDEAB/CDEABC/DEABCD/EB/CDEBC/DEBCD/EA/BCDAB/CDABC/DC/DECD/EB/CDBC/DA/BCAB/CABCDEB/CDBC/DC/DECD/EA/BCAB/C?10.613.418.98.013.412.318.610.44.39.114.63.72.65.42.65.4?+=ihklkikikfV2minVmin=ikikidi?