第一部分  过程系统集成 第三章	其它过程系统综合方法 				 一、	分离序列综合 二、	质量交换网络综合 三、	反应路径综合 四、	反应器网络综合	  一、分离序列的综合 	分离序列的综合定义如下： 		给定入料流股的条件（包括组成、温度、流率、压力），通过一定的方法综合成要求的产品，而且能使总费用最小： 		上述问题可以表示为一个混合整数非线性数学规划问题。它包括两方面的内容： 寻求最优分离序列； 寻求每个分离单元的最优设计变量（尺寸、操作条件）。    	满足输入输出要求有多种系统，性能不同。 如分离问题： 	ABCD→A/B/C/D，共有多少种方法？ 	   			 A/BCD  			 AB/CD 			  			 ABC/D 			 			 1. 基本概念 （一）简单锐分离器（Simple Sharp Separator) 		所谓简单锐分离器，就是只有一股入料流股，两股产品流股，且入料流股中的每个组分仅存在于某一个产品流股中的分离器。例如，一个普通的两产品精馏塔，其相邻轻重关键组分的回收率非常高，则该精馏塔就属于锐分离器。 （二）顺序表（Ranked List） 		在讨论分离序列的综合方法时，人们常常采用顺序表把入料的组分按照一定的规律排列起来。排列遵循的依据主要是与分离有关的物性值，例如： 组分的沸点（蒸馏）； 溶解度（萃取）； 固体粒度（筛分）； 组分挥发度（蒸馏、萃取）。 例如，入料混合物条件如下：  (三）可能的分离序列数 		分离序列的综合是一个复杂的组合问题。 		一般来说，采用S种分离方法（简单锐分离）把N组分混合物分离成N个纯组分的分离问题，可能的分离序列数F可用下式计算：  		分离序列综合的目的是从可能的分离序列中寻求满足一定性能指标和约束的最优序列。然而，实际分离问题的可能分离序列数往往很大，要从中选出最有序列是十分困难的。因此，人们提出了种种分离方法以尽量缩小搜索空间，提高综合过程的效率。 （四）可能的子分离问题 		每个子分离问题与一个实际分离单元相对应，分离序列是分离子问题的不同组合形式。对于四组分混合物分离成四个纯组分的分离问题，采用一种分离方法时，可能存在的分离子问题一共有十个： 	用一种分离方法，把N组分混合物分离成N个纯组分的分离问题，所包括的分离子问题数R可用下式计算：  （五）判别指标 	年度费用（设备折旧费＋操作费）判断指标	 	两种较为简单的判别指标： 	易分离系数（CES） 	分离难度系数（CDS）。 		易分离系数值越大，表示轻、重关键组分越易被分离，所需分离费用一般也较低。 		分离难度系数越小，表示轻、重关键组分越易被分离。 （六）分离序列的综合方法 			有关分离序列的综合方法的文献很多，这些方法大体可以分为三类： 数学规划法 探试法 调优法 	 数学规划法和探试法适用于无初始方案下的分离序列综合。 探试法得到的分离序列有时是局部最优解。因此，其中大多数方法必须与调优法结合，派生出一些方法，如探试调优法。 调优法只适用于有初始方案下的综合问题。初始方案的产生可依赖于探试法或现有生产流程。调优法更适合于对老厂技术改造和挖潜创新。  2. 数学规划法 		数学规划法具有数学基础，理论上是严格的，但是，它们基本上都具有计算量大和陷入局部最优的弱点。为了弥补这个缺陷，往往通过某些探试法则来缩小搜索空间，减小搜索时间。  		属于数学规划法的分离序列综合方法大概有如下几种： （一）动态规划法（Hendry和Hughes, 1972) （二）分枝界限法（Westerberg和Stephanopoulos,         1975） （三）有序分枝搜索法（Gomez和Seader，1975） （四）有序搜索法（ Gomez和Seader，1976 ） （一）动态规划法 		根据动态规划原理，如果一个分离序列是最优的，则综合分离序列的各步决策也必定是最优的。 		用动态规划法综合分离序列，首先要找出可能存在的分离子问题。例如，对一个四组分混合物(ABCD)，根据它们的性质差别排出一个顺序表（此处按沸点升高的顺序排为ABCD）。若分离的目标产物为四个纯组分(A)、 (B)、 (C)、 (D)，则有如下分离子问题： 四组分分离子问题： 	(A/BCD),(AB/CD),(ABC/D） 三组分分离子问题： 	(A/BC),(AB/C),(B/CD),(BC/D) 两组分分离子问题： 	(A/B),(B/C),(C/D) 	斜线“/”表示分离点的位置；A、AB、ABC等称为子群，表示分离序列中可能存在的物流组成。 第一步： 在不同的进料条件下，计算两个组分分离子问题的分离费用； 不同的分离方法（如普通精馏和萃取精馏）分别计算其最小分离费用； 选用其中最低的作为该分离子问题的费用，供综合三组分分离序列时使用。 第二步： 在不同的进料条件下计算个三组分分离子问题的费用； 再加上最优的两组分分离子问题的费用，便可得到三组分分离序列的费用； 选取最低者作为三组分分离的最优分离序列，供四组分分离序列综合用。 第三步： 同样，计算出四组分分离子问题的费用； 与三组分最优分离序列的费用相加，得到四组分分离序列的总费用； 选出最优者，即为最优的四组分分离序列。 （二）分枝界限法 		动态规划法需要检验全部分离子问题，而分枝界限法不必搜索全部分离子问题就可找到最优分离序列，从而使搜索空间进一步缩小。 	分枝界限法包括三部分内容： 利用顺序表导出所有可能的分离子问题和有分离序列构成的树 构造基本分离序列，并计算其对偶和初始界限 分枝搜索最优分离序列 （三）有序分枝搜索法与有序搜索法 	Rodrigo和Seader（1975）提出有序分枝搜索法。 	Gamez和Seader（1976）提出了有序搜索法。 3. 探试法 	探试法则 较轻的组分优先分离（组分从塔顶逐一分离出来） 最难分离的组分最后分离 倾向于一分为二的分离 尽量使分离单元内上升的汽相流率最小 产品纯度要求高的分离放在最后 将流量最大的组分优先分离 选用费用最低的分离器作为下一个分离 优先分离热稳定性差、具有腐蚀性或毒性的组分 易于分离的组分优先分离 关键组分的相对挥发度小于最小容许值时，不可采用普通精馏 倾向于采用产物组最少的分离序列 避免采用需质量分离剂的分离方法 若分离器中采用了质量分离剂，应在其后的分离器中马上除去 用质量分离剂的分离方法不能用于分离另一质量分离剂 倾向于采用普通精馏 可能发生反应的组分应优先移出 预先指定关键组分的回收分率 避免采用极端操作条件 倾向采用常规操作压力 		一般来说，探试法不能保证得到最优分离序列，通常还要辅以调优法或其他方法，以求得最优分离序列。然而，如果探试法使用得当，则不需要过多的计算便可迅速获得接近最优的分离序列。 		Nadgir和Liu（1983）提出有序探试法，是一种较好的分离序列综合方法。 4. 调优法 	调优法原理 		所谓调优法就是按照一定的调优规则和策略对某一初始分离序列进行逐步改进而搜索最优分离序列的一种方法。该法包括三个方面的内容： 建立初始分离序列 确定调优规则 制定调优策略 	调优法搜索空间相对而言还是很大的。Seader和Westerberg（1977），Nath和Motard（1981）的调优法相对来说计算量较小，从初始序列到最优序列只需评比三、四个中间序列。 二、质
2006化工系统综合与优化4－系统综合1.ppt