Evolutionary design of optimum distillation column sequence

Synthesis of the optimum distillation column sequence (DCS), which incorporates a huge search space composed of both conventional and complex arrangements, is a highly complicated combinatorial problem in the field of chemical process design and optimisation. In this study, a novel procedure for the synthesis of optimum DCS proposed by Boozarjomehry et al. [Boozarjomehry et al., Can. J. Chem. Eng. 87, 477–492 (2009)] is expanded to include the complex distillation arrangements. The method is based on evolutionary algorithms, and the total annual cost (TAC) is the main criterion used to screen alternatives. Efficient procedure has been proposed for encoding mechanism to include and classify various complex arrangements together with conventional distillation columns. All columns existing in each DCS alternative are designed using the most recommended short‐cut methods to estimate the TAC of the DCS. Four standard benchmark case studies are carried out to clearly demonstrate the excellent performance of the proposed method. The produced results for these problems indicate that the proposed method outperforms the other existing approaches in terms of flexibility, accuracy and comprehensiveness. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering     

基于粒子群算法的隔离壁精馏塔的综合与设计

隔离壁精馏塔（dividing-wall distillation column,DWDC）是提高两个或者多个传统精馏塔热力学效率的有效手段。由于隔离壁精馏塔内部结构复杂、相互作用强,传统的序贯优化方法计算时间长,很难达到全局最优解。标准粒子群算法应用广泛、易于实现,但易于早熟、易于陷入局部极值点。因此,本工作采用改进的元胞粒子群算法对Kaibel隔离壁精馏塔进行综合与设计研究。元胞粒子群算法通过改进粒子的学习策略,采用元胞邻域的方法可有效地将粒子分散在多个子空间。对比标准粒子群优化和元胞粒子群优化两种方法的50次优化效果,结果表明,两种粒子群算法能够对内部结构复杂、相互作用强的四组分Kaibel隔离壁精馏塔这一复杂分离系统进行优化,优化效果显著。     

乙烯生产流程中联塔模拟与优化

在建立精馏塔单塔严格机理形式的开放式模型方程, 并对单塔进行模拟与优化的基础上, 对大规模乙烯生产过程中脱丙烷塔和脱丁烷塔组成的联塔系统进行模拟与操作优化研究.在对整个系统分析和处理后, 成功对其进行了模拟与优化, 结果对脱丙烷和脱丁烷塔精馏过程和操作优化具有指导意义.在优化过程中, 改进过的简约空间序列二次规划(reduced-space sequential quadratic programming, RSQP)算法具有比SNOPT和FMINCON更高的求解效率也得到验证.本文对联塔系统的研究和在模拟与优化过程中的处理、优化方法为将来整个乙烯生产流程系统的模拟与优化奠定了良好的基础.     

基于有效能分析的复杂精馏塔优化设计

提出了以有效能消耗最小为目标的复杂精馏塔优化设计新方法。给出了精馏塔优化设计模型及最佳进料位置、适宜理论板数NT、塔内换热器简约的确定方法,并以两组分正庚烷和乙苯的混合物为例进行设计与讨论。优化后的精馏塔含有中间换热器,与传统的简单塔有本质的区别,平衡线和操作线均处于相对平均的位置,更节能。     

A method for the design of flexible distillation sequence

A simple method has been developed to optimally design a distillation sequence with a fixed degree of flexibility in feed composition and flowrate, and accounts for uncertainty in stage efficiency, K-value and beat transfer coefficient calculations. The method minimizes a weighted cost function and ensures both optimal and feasible operation in the range of flexibility/uncertainty by using an approach termed “practical feasibility”. The method was tested on a 4 column distillation sequence separating a 5 component light alkane feed mixture. Results are presented to illustrate the effect of uncertainty on sequence cost and column overdesign.     

Divided-wall distillation column design using molecular tracking

Divided-wall column (DWC) is an intensified separation process and so far developing a simple procedure for designing these units has been challenging. In this work, the concept of molecular tracking has been integrated with conventional methods to build a simple and easy-to-use methodology for designing DWCs for multicomponent separations. Application of the proposed approach is highlighted through several three- and four-component mixtures. The configuration obtained using molecular tracking gives a design with lower energy demands for the column reboiler, compared to other design methodology, which directly impacts the OPEX of the system.     

精馏塔设备的设计与节能研究进展

精馏过程是化工过程中最耗能的过程之一。本文总结了常规精馏塔,反应精馏塔以及分隔壁精馏塔这几种类型精馏塔的研究进展。常规精馏塔的研究仍在进行,并主要体现在算法的改进与新算法的提出,以及常规精馏塔在化工高等教学的重要作用上,指出了反应精馏塔和分隔壁精馏塔是近几年精馏塔设计方面的研究热点,如反应精馏塔的模型、求解方法等,分隔壁精馏塔是一种全新的概念因而并未系统化,但却能够明显节省设备投资,并具有良好的节能前景,尤其是在与反应精馏结合后效果特别明显。文章最后对精馏塔的未来研究方向进行了展望。     

隔板塔共沸精馏分离二氯甲烷-乙腈-水-硅醚体系

以二氯甲烷-乙腈-水-硅醚为分离体系,采用自制隔板塔小试装置,研究了共沸剂回流比和液相分配比等操作参数对隔板塔分离效果的影响。实验结果表明,当气相分配比R_v为0.5,共沸剂回流比为3时,液相分配比R_l在[0.12,0.2]范围内,隔板塔分离效果较好。在实验的基础上,采用Aspen Plus软件对隔板塔共沸精馏工艺进行模拟,考察了隔板塔共沸精馏工艺最佳操作区域及节能效果。模拟结果表明,特定分离要求下,隔板塔存在一个使再沸器热负荷最小的最佳操作区域,在此最佳操作区域内,R_l和R_v相互关联,呈一一对应关系;与三塔串联简单精馏工艺相比,完成相同的分离任务,隔板塔共沸精馏工艺再沸器节能32.74%,冷凝器热负荷减少33.70%,乙腈回收率由66.47%提高到96.01%,且大幅降低设备投资。     

基于遗传规划的复杂精馏系统综合

提出了基于遗传规划的复杂精馏系统的综合方法.针对复杂精馏系统特点并结合化工领域知识,对遗传算子进行了改进,给出了一套独特的编码方法和求解策略.算法利用层次化结构来直观地表达复杂分离流程,同时解决了其他随机算法编码在表达精馏过程时的歧意性问题.在不必给定精馏系统超结构的情况下,能够完成可行域的自动搜寻.实例计算表明,基于遗传规划的综合策略可以用于求解复杂精馏系统的最优综合问题,实现了包括侧线塔、完全热偶塔及同时考虑热集成的各种复杂精馏结构的自动搜索寻优.     

Molecular tracking: A concept for side-draw distillation column design

A simple approach is introduced to locate a side-draw tray for ternary and multi-component mixtures with middle boiling component(s) present in the system at trace levels. The concept is based on a probability function defined by the thermodynamic properties of the system. The advantage of this method over existing methods is the ability to quickly and efficiently provide a feasible configuration of the distillation unit without relying on rigorous optimization or trial and error approaches. Moreover, it provides an intuitive understanding of the movements of the middle boiling components in the column.     

基于简约空间序列二次规划算法和混合求导方法的精馏塔操作优化

以开放式方程建立精馏塔严格机理模型,对精馏塔的操作优化进行了研究.根据精馏塔操作优化命题自由度低、模型结构稀疏且导数难以解析求解的特点,提出了基于简约空间序列二次规划算法（SQP）和混合求导方法相结合的精馏塔操作优化计算方法.在该方法中优化命题采用简约空间SQP算法求解,求解过程中需要的导数信息采用解析表达和预处理的自动微分技术求取.计算结果表明,本文方法在计算效率上大大高于基于差分求导的标准SQP算法,有利于在线实时优化的实施.另外本文优化结果也表明,精馏塔操作优化对提高产品产量、提高综合经济效益具有明显作用.     

基于优化的反应精馏塔简捷设计

基于G ibbs自由能最小原理达到反应和相平衡的假设,提出了一种适用于初步设计的新的设计方法。以甲基叔丁基醚和碳酸二乙酯的反应精馏过程为例,应用Aspen软件模拟,经分析发现,通过改变理论级数和回流比,可得到合理的塔内温度分布,从而使塔底产品组成得到最大程度的提高,为此提出基于优化的设计法:以产品组成最大为目标函数,以回流比、精馏段和提馏段理论板数为决策变量,采用遗传算法进行优化计算。结果表明,2个设计实例均能在保证低能耗的同时得到较高的产品纯度,说明该设计方法可以设计出较好的反应精馏塔。     

分隔壁精馏塔分离醇类混合物的模拟

以分隔壁精馏塔分离乙醇、正丁醇及正己醇为例,建立分隔壁精馏塔稳态模型。用Aspen Plus软件进行模拟,模拟数据与实验数据吻合良好。同时考察了分隔壁精馏塔内液体分配比对产品含量的影响及正丁醇液相组成分布情况。比较了采用分隔壁精馏塔和常规二塔流程分离此物系的节能情况。结果表明,由于分隔壁精馏塔能极大地减少返混现象的产生,故达到相同的分离要求,分隔壁精馏塔比常规精馏的流程更节能,采用分隔壁精馏塔分离此物系时,中间组分的摩尔分数越高,节能效果越好,当进料组成为n(C2H5O)∶n(C4H10O)∶n(C6H14O)=1∶3∶1时,可节能25.9%。分隔壁精馏塔技术是一种节能、经济的新工艺。     

Conceptual design of distillation processes for mixtures with distillation boundaries. II. Optimization of recycle policies

Geometric design methods for the conceptual design of azeotropic distillation processes are fast and efficient tools for the economic screening of different process alternatives. The second article of this two‐part series presents a novel optimization‐based conceptual design framework for azeotropic distillation processes, which allows a rapid screening of the different process alternatives with respect to feasibility and economic incentive. The design framework is based on the economic assessment of distillation columns by the rectification body method. The feasibility limits imposed by the azeotropes are incorporated using the split feasibility test introduced in the first part of this series. The application of the framework is highlighted with several ternary and quaternary process alternatives for the production of high‐purity alcohols. © 2010 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2011     

分壁式精馏塔精制丁二烯流程模拟

丁二烯是一种重要的石油化工烯烃原料,由于其生产过程能耗高,因此节能降耗成为丁二烯生产工艺的研究热点。利用Aspen Plus模拟软件对丁二烯精制工艺的两套流程进行了模拟研究,考察了分壁式精馏塔(DWC)中内部互连物流连接位置、预分离塔气液相流量和回流比对分离效果和热负荷的影响,对比了相同分离条件下DWC分离流程和传统顺序分离流程的能耗,并根据两套分离流程中塔内液相丁二烯浓度分布情况,分析DWC的节能原因。结果表明,当主塔理论板数105,预分离塔理论板数56,进入预分离塔气相流量1020kmol/h,液相流量890kmol/h,回流比7800时,DWC分离效果最好,丁二烯质量分数可达99.7%,这为DWC精制丁二烯工艺的工业化提供了理论依据。由于DWC有效减少了精馏过程中的返混效应,提高了能量利用率,使其冷凝器可节能29.36%,再沸器可节能29.19%,存在明显的节能优势。     

环己烯-己烷萃取精馏塔系统的改进

采用新型填料塔技术和新的工艺流程,对原环己烯分离塔系统进行改造,改造后环己烯分离塔塔顶环己烯从6.5%下降到4.0%,环己烯回收塔塔顶环己烷从3.5%～4%下降到2.5%,环己烯纯度从95%提高到97%以上。     

基于信赖域算法的精馏塔优化

从结构优化角度建立精馏塔优化的混合整数非线性规划(MINLP)模型,为了消除整数变量,引入绕流效率将MINLP问题转化为非线性规划(NLP)问题。针对得到的NLP问题提出一种优化方法,在该方法中采用结构优化中常用的信赖域优化算法进行求解,并应用虚拟瞬态连续性方程辅助优化中的稳态模拟。采用提出的优化方法对3个精馏系统进行设计优化,以不同初始值开始,均可得到令人满意的优化结果,表明所提优化方法具有良好的稳健性,对于较复杂的部分热耦合精馏过程仍然可以有效优化求解;信赖域算法在精馏塔优化中也表现出良好的收敛性。     

组合式精馏塔在甲烷氯化物装置精馏系统中的应用

通过对规整填料塔与板式塔的特点进行分析,运用规整填料的低压降、大通量、高效率等特点,以及板式塔的操作稳定性结合在甲烷氯化物精馏塔的改造,通过流程模拟结果及创新性的采用填料与塔板复合的型式,结合填料塔与浮阀塔各自优点形成组合塔,优化了精馏塔运行。     

PET生产中蒸馏塔的清洗操作

在PET生产中根据需要停止和开启蒸馏塔,期间出现塔循环易堵塞等问题,通过制定清洗方法较好地解决了该问题。     

甲醇精馏工艺及其塔器优化设计

对四塔甲醇精馏节能流程提出了四项优化措施,利用PRO/Ⅱ工艺模拟软件,进行了工况研究.结果表明,采用优化后的工艺流程,甲醇回收率可提高约0.3%,预精馏塔能耗降低约7%;并根据工况研究结果和生产数据,提出了各塔合适的理论级数和操作参数,推荐了各塔结构形式、参考塔径、填料高度或塔盘层数.