第六章分离过程及设备的效率与节能综合课件.ppt

1、第六章第六章 分离过程及设备的效率与分离过程及设备的效率与节能综合节能综合.1 .1气液传质设备的效率气液传质设备的效率 6.26.2分离过程的最小分离功分离过程的最小分离功 6.36.3分离过程的节能分离过程的节能 6.46.4分离过程系统合成分离过程系统合成 （1 1）掌握等温分离的最小功的计算方法，了）掌握等温分离的最小功的计算方法，了解非等温分离和有效能、净功消耗和热力学解非等温分离和有效能、净功消耗和热力学效率的计算。效率的计算。（2 2）了解精馏过程的热力学不可逆分析方法，）了解精馏过程的热力学不可逆分析方法，掌握精馏过程的节能技术。掌握精馏过程的节能技术。（3 3）掌握简单分离和

2、复杂塔的分离顺序的合）掌握简单分离和复杂塔的分离顺序的合成的原则。成的原则。本章要求：本章要求：6.16.1气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率6.1.1 6.1.1 气液传质设备的处理能力的影响因素气液传质设备的处理能力的影响因素气液传质设备有气液传质设备有板式塔板式塔和和填料塔填料塔两类。两类。影响气液传质设备的处理能力的因素有：影响气液传质设备的处理能力的因素有：6.1.1.16.1.1.1液泛液泛 板式塔：板式塔： ，处理能力增加；，处理能力增加；fTuHVL,填料塔：填料塔： ，处理能力增加。，处理能力增加。规整填料处理能力大于乱堆填料。规整填料处理能力大于乱堆填

3、料。fLuaVL,6.1.1.26.1.1.2雾沫夹带雾沫夹带6.1.1.3.6.1.1.3.压力降压力降 板式塔中，雾沫夹带程度用雾沫夹带量板式塔中，雾沫夹带程度用雾沫夹带量（0.1kg0.1kg液体液体kgkg气体）或泛点百分率表示。气体）或泛点百分率表示。随随 。，雾沫夹带量迅速塔负荷,TH 真空操作设备的真空操作设备的 往往成为限制生产能力往往成为限制生产能力的主要原因，还影响降液管内液位高度，的主要原因，还影响降液管内液位高度， ，液位高度液位高度，以造成液泛。，以造成液泛。PP6.1.1.4.6.1.1.4.停留时间停留时间 精馏中液体在降液管内停留时间一般精馏中液体在降液管内停留

4、时间一般3 35 5秒。秒。6.1.2 6.1.2 气液传质设备的效率及影响因素气液传质设备的效率及影响因素6.1.2.1实际板和理论板的差异实际板和理论板的差异理论板假定理论板假定离开离开该板的汽、液两相达到该板的汽、液两相达到平衡平衡 理论板上相互理论板上相互接触接触的汽液两相的汽液两相完全混合完全混合，板，板上液相浓度均一上液相浓度均一 实际板上汽液两相存在实际板上汽液两相存在不均匀不均匀流动，流动，停留时停留时间间有明显有明显差异差异 实际板存在实际板存在雾沫夹带雾沫夹带、漏液漏液和液相夹带泡沫和液相夹带泡沫现象。现象。6.1.2.2级效率的定义级效率的定义（1 1）全塔效率）全塔效率

5、E ET T（总板效率，塔效率）（总板效率，塔效率）为完成给定分离任务所需要的理论塔板数为完成给定分离任务所需要的理论塔板数（N N）与实际塔板数（）与实际塔板数（N Nactact）之比。）之比。actTNNEE ET T的特点是的特点是容易测定容易测定和使用。和使用。板式塔板式塔默弗里（默弗里（MurphreeMurphree）板效率）板效率 1,1,jijijijiMViyyyyE默弗里板效率默弗里板效率实际板上实际板上浓度变化与平衡时应达到的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比。浓度变化之比。jiy,与与 成平衡的气相成平衡的气相 摩尔分率。摩尔分率。jix,默弗里气相板效率默弗里气相

6、板效率y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1MLiMViEE,一般一般 1,1,jijijijiMLixxxxE默弗里液相板效率默弗里液相板效率y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1默弗里（默弗里（Murphree）点效率）点效率 板上气液两相错流，板上气液两相错流，假定液体在垂直方向上假定液体在垂直方向上完全混合。完全混合。 1,1,jijijijiOGiyyyyE若气液两相完全混合，则若气液两相完全混合，则 。OGiE,MViE,jiy,与与 成平衡的气相摩尔分率。成平衡的气相摩尔分率。jix,xi,j-1xi,jjj-1jix,jiy,JJ1, jiy填料

7、塔填料塔传质单元高度传质单元高度OGOGNHZ OLOLNHZ bayyOGyydyN*baxxOLxxdxN*AaKVHGOGAaKLHLOL等板高度（等板高度（HETP）对于填料塔对于填料塔: :为相当于一块理论板所需的填料高度。为相当于一块理论板所需的填料高度。 对于板式塔对于板式塔: : TTactTEHNNHHETPNZHETP理论级数填料高度 6.1.2.3影响级效率的因素影响级效率的因素点效率与传质间的关系点效率与传质间的关系由双膜理论得：由双膜理论得： OGyEKZa,G G一定，一定， 。塔板上液层。塔板上液层愈厚，气泡愈分散，表面湍动程度愈高，愈厚，气泡愈分散，表面湍动程度

8、愈高，点效率愈高。点效率愈高。GaZKOGyeE 1ANNNLGOG111KVLANG、NL可由经验式求得。可由经验式求得。液体混合情况对板效率的影响液体混合情况对板效率的影响 液体流经塔板时，板上液体流经塔板时，板上任一点的液体会在三个垂直任一点的液体会在三个垂直方向上发生混合：方向上发生混合：纵向纵向混合、混合、横向横向混合和混合和垂直垂直于塔板液面，于塔板液面，沿气流的混合。这些混合将沿气流的混合。这些混合将影响板效率影响板效率。描述流型对效率影响的数学模型：描述流型对效率影响的数学模型：y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1板上液体完全混合板上液体完全混合 MVijij

9、ijijiOGEyyyyE,1,1,OGNOGMVeEE1 板上各点板上各点 均相同，并等于该板出口溢均相同，并等于该板出口溢流液的流液的x xi,ji,j组成，即组成，即 ，若进入板各，若进入板各点的点的 是均一的，则有：是均一的，则有： jijixx,jix,1,jiyjijiyy,液体完全不混合（活塞流）且停留时间相同液体完全不混合（活塞流）且停留时间相同默弗里板效率和点效率间关系式：默弗里板效率和点效率间关系式： 1OGEMVeE 由上式得右图知：由上式得右图知：液体混合作用的减弱液体混合作用的减弱使默弗里板效率增大。使默弗里板效率增大。 1.05.000.53.0EOGEMVEOG完

10、全不混合完全不混合完全混合完全混合液体部分混合液体部分混合 纵向混合将使纵向混合将使 下降；横向混合将使下降；横向混合将使 上升。不完全混合使得上升。不完全混合使得 。OGMVEEOGMVEEOGMVEE 不均匀流动，尤其是不均匀流动，尤其是环流环流会对效率产生会对效率产生不不利利影响；影响；横向混合横向混合能削弱液相不均流动的不能削弱液相不均流动的不利影响；利影响；塔径加大塔径加大，纵向不完全混合有利影，纵向不完全混合有利影响减弱，不均匀流动响减弱，不均匀流动则趋于加强则趋于加强。液体流程的平均宽度0Pe1 1/ )(1)(1)(eeePOGmvPePPeEEewfvGEhlLuD18. 0

11、)(68. 30171. 000378. 0)(5 . 0 1)41(22/1eOGePEPPe完全混合完全混合 LEetDlP2完全不混合完全不混合 30（3 3）雾沫夹带）雾沫夹带 雾沫夹带为雾沫夹带为级间混合级间混合，降低分离设备的，降低分离设备的分离效果，分离效果，板效率下降板效率下降。 ColburnColburn（可尔本）（可尔本）19361936年推导出下关系：年推导出下关系： eeEEEMVMVa11aE有雾沫夹带下的板效率。有雾沫夹带下的板效率。此外，此外，漏液漏液和和气气体被体被液液体体夹带夹带也会使也会使板效率降低板效率降低。GLGFvuK求得求得 由由 vKFu泛点百分

12、率泛点百分率 Fuu /E Ea a求取步骤求取步骤由公式由公式 求出求出OGOGOGNOGeE1求出彼克来准数求出彼克来准数 由图或公式求出由图或公式求出E EMVMV/E/EOGOG，进而求出，进而求出E EMVMV。LEetDlP2查图得到液泛极限查图得到液泛极限K KV V，进而求出液泛速度，进而求出液泛速度u uf f查图得夹带分率查图得夹带分率e e，由公式求出有雾沫夹带下，由公式求出有雾沫夹带下的板效率。的板效率。（4 4）物性的影响）物性的影响 液体粘度液体粘度密度梯度密度梯度 当易挥发组分的当易挥发组分的 大于难挥发组分的大于难挥发组分的 时，时，能形成混合旋流，可提高液相传

13、质系数。能形成混合旋流，可提高液相传质系数。 LL 大，产生气泡大，相界面小，两相接触大，产生气泡大，相界面小，两相接触差，且液相扩散系数小，效率低。差，且液相扩散系数小，效率低。 因因精馏精馏T T一般较吸收一般较吸收T T高，高， 小，故精馏塔小，故精馏塔效率高效率高于吸收塔。于吸收塔。LL相对挥发度相对挥发度 大则相当于汽相溶解度低，大则相当于汽相溶解度低，K Ki i小，液相阻力大，小，液相阻力大，效率低效率低表面张力梯度表面张力梯度 a.a.正系统正系统 重轻01dxd泡沫状态下操作泡沫状态下操作 b.b.负系统负系统 重轻01dxd喷射状态下操作喷射状态下操作 c.c.中性系统中性

14、系统 重轻01dxd6.1.3.级效率的计算方法级效率的计算方法 由理论板数求实际板数需要板效率数据。由理论板数求实际板数需要板效率数据。获取方法有三种：获取方法有三种： A A、由工业塔数据归纳出的经验关联式求算；、由工业塔数据归纳出的经验关联式求算；B B、依赖传质速率的半理论模型求得；、依赖传质速率的半理论模型求得；C C、从实验装置或中间工厂直接得到数据。、从实验装置或中间工厂直接得到数据。245. 0049. 0E 奥康奈尔（奥康奈尔（OConnell）关系曲线）关系曲线(图图6-8）6.1.3.1经验关联式经验关联式468. 0ln164. 0 xET1x443. 0ln0687.

15、 0 xET1xiLixxLLMMThVLE30. 0lg25. 0lg30. 067. 1lg朱汝瑾公式：Van Winkle关系式关系式HETP乱堆填料HETP一般为0.450.6米；鲍尔环25mm的HETP为0.3m， 38mm的HETP为0.45m，50mm的HETP为0.6m；规整填料如金属丝网波纹填料CY型的HETP为0.1250.166m、BX型的HETP为0.20.25m，麦勒派克填料的HETP为0.25-0.33m。08. 025. 014. 007. 0ecgmvRSDE6.1.3.2机理模型（略）机理模型（略）6.1.3.3.由实验装置数据确定板效率由实验装置数据确定板效

16、率当无欲分离物系的气液平衡数据时，达到分当无欲分离物系的气液平衡数据时，达到分离程度所需的塔板数最好通过实验室测定。使用离程度所需的塔板数最好通过实验室测定。使用称为称为Oldershaw塔的玻璃或金属筛板塔，塔径塔的玻璃或金属筛板塔，塔径2550毫米，筛孔毫米，筛孔1毫米，开孔率毫米，开孔率10左右。塔左右。塔板数任意。在板数任意。在201140千帕操作压力范围内，千帕操作压力范围内，Oldershaw塔的效率与塔径在塔的效率与塔径在0.461.2米范围的米范围的中间试验塔和工业塔的数据一致。中间试验塔和工业塔的数据一致。 AIChEAIChE（美国化学工程师学会）法（美国化学工程师学会）法

17、, ,基于双基于双膜理论提出的计算方法。膜理论提出的计算方法。 OldershawOldershaw塔的偏于保守的试验步骤：塔的偏于保守的试验步骤：1 1）测定泛点；）测定泛点；2 2）在约）在约6060泛点下操作（在泛点下操作（在40406060范围内均范围内均可）；可）；3 3）试验中通过调整塔板数和流率，达到预期分离）试验中通过调整塔板数和流率，达到预期分离程度；程度； 4 4）假设工业塔与）假设工业塔与OldershawOldershaw塔塔在相同液气比下操在相同液气比下操作需要相同的塔板数。作需要相同的塔板数。6.1.4.6.1.4.气液传质设备的选择气液传质设备的选择6.1.4.1

18、6.1.4.1、板式塔和填料塔的选择、板式塔和填料塔的选择 项目项目 板式塔板式塔 填料塔填料塔 压降压降 较大较大 小尺寸填料较大，大尺寸填料小尺寸填料较大，大尺寸填料及规整填料较小及规整填料较小 空塔气速空塔气速 较大较大 小尺寸填料较小，大尺寸填料小尺寸填料较小，大尺寸填料及规整填料较大及规整填料较大 持液量持液量 较大较大 较小较小 液气比液气比 适应范围较大适应范围较大 适应范围较小适应范围较小 安装检修安装检修 较易较易 较难较难 材质材质 常用金属材料常用金属材料 金属及非金属材料金属及非金属材料 造价造价 大直径时较低大直径时较低 新型填料投资较大新型填料投资较大 塔效率塔效率

19、 较稳定，效率较高较稳定，效率较高 传统填料较低，新型填料较高传统填料较低，新型填料较高 板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素：板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素： （1 1）物系的性质）物系的性质 物料具有物料具有腐蚀性腐蚀性时，通常选用时，通常选用填料填料塔；塔； 易易发泡发泡物系，宜选物系，宜选填料填料塔，因其具塔，因其具有限制和破碎泡沫的作用；有限制和破碎泡沫的作用； 对对热敏热敏物质或需物质或需真空真空下操作的物系下操作的物系宜选用宜选用填料填料塔；塔； 分离有分离有明显热效应明显热效应的物系宜选用的物系宜选用板式板式塔（持液量大，便于安装换热装置）；塔（持液量大，便于安装换热装置）；

20、 易易聚合聚合和含有和含有固体固体悬浮物的物系，不悬浮物的物系，不宜选用填料塔。宜选用填料塔。对对高粘度高粘度的物系的分离，宜选用的物系的分离，宜选用填料填料塔（粘度高，板式塔效率低）；塔（粘度高，板式塔效率低）；（2 2）塔的操作条件）塔的操作条件 板式塔的直径一般板式塔的直径一般0.60.6米，填料塔设备费米，填料塔设备费随塔径增加而迅速增加，大塔随塔径增加而迅速增加，大塔慎用慎用填料塔；填料塔； 填料塔填料塔操作弹性小操作弹性小，对液体负荷变化尤，对液体负荷变化尤为敏感，板式塔往往具有较大弹性；为敏感，板式塔往往具有较大弹性； 采用采用新型填料新型填料的填料塔具有较大的生产能的填料塔具有

21、较大的生产能力和较小的力和较小的HETPHETP。（3 3）塔的操作方式）塔的操作方式 间歇间歇操作，填料塔持液量较小，较合适；操作，填料塔持液量较小，较合适； 由由多个多个进料口和侧线采出的精馏塔，用板进料口和侧线采出的精馏塔，用板式塔更合适。式塔更合适。6.1.4.26.1.4.2、填料的选择、填料的选择（1 1） 填料材质的选择填料材质的选择 瓷质瓷质填料填料 耐腐蚀性好，使用温度范围较宽，耐腐蚀性好，使用温度范围较宽，价廉。但质脆、易碎。价廉。但质脆、易碎。 金属金属填料填料 壁薄，壁薄，大，通量大、压降小。大，通量大、压降小。适用于真空精馏。但价高，且应注意耐腐问题。适用于真空精馏。

22、但价高，且应注意耐腐问题。 塑料塑料填料填料 耐腐蚀性好、质轻、耐冲击、耐腐蚀性好、质轻、耐冲击、不易破碎，通量大、压降小，但耐高温性能差。不易破碎，通量大、压降小，但耐高温性能差。（3 3） 填料尺寸的选择填料尺寸的选择填料尺寸小，压降大，费用高；填料尺寸大易填料尺寸小，压降大，费用高；填料尺寸大易出现液体分布不均及严重壁流，分离效率低。出现液体分布不均及严重壁流，分离效率低。为此要求：为此要求：（2 2） 填料种类的选择填料种类的选择 （4 4） 填料填料的单位分离能力的单位分离能力8 108 ppdDdD鲍尔环，矩鞍形填料拉西环填料 分离过程为什么要节能？分离过程为什么要节能？ 分离过程

23、的特征？分离过程的特征？ 多组分分离的多塔排列顺序对多组分分离的多塔排列顺序对能耗是否影响能耗是否影响 ？6.2.6.2.分离过程的最小分离功分离过程的最小分离功6.2.1.16.2.1.1等温分离最小功等温分离最小功 当分离过程完全可逆时，分离消耗的功当分离过程完全可逆时，分离消耗的功 完全可逆完全可逆 体系内所有的变化过程必须是可逆的体系内所有的变化过程必须是可逆的 体系只体系只与温度与温度为为T T0 0的环境进行可逆的热的环境进行可逆的热交换交换 min0WHSTWid6.2.16.2.1分离过程的最小功分离过程的最小功热力学第一定律热力学第一定律 等温可逆过程，进出系统的物流与环境的

24、温等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为度均为T,热力学第二定律热力学第二定律 进出WQHnHnjjkk出进jjkkSnSnTQSTHSnSnTHnHnWjjkkjjkk0min出进进出TSHGiiiiZGZG)ln(ln00iiiiffRTconstT 物质分离的难易程度，取决于待分离混合物和物质分离的难易程度，取决于待分离混合物和分离所得产物的组成（分离所得产物的组成（x xi i，y yi i） 、温度和压力、温度和压力（1 1）分离理想气体的混合物）分离理想气体的混合物 理想气体混合物理想气体混合物 iiyz pyfii由混合物分离成纯组分由混合物分离成纯组分1,kiy0ln,k

25、iyFiFiFTyyRTnWlnmin,FBFBFAFAFTyyyyRTnW,min,lnln 等温等压分离理想气体耗功有以下规律等温等压分离理想气体耗功有以下规律： 1 1）将）将等分子等分子气体混合物分离成两个气体混合物分离成两个纯组分纯组分时时所需最小功要比分离其它混合物所需最小功要所需最小功要比分离其它混合物所需最小功要大大。此时得无因次最小功为。此时得无因次最小功为0.69310.6931。2 2）同一进料组成）同一进料组成y yA A，F F，分离成两个，分离成两个纯组分纯组分比分比分离成两个离成两个非纯组分非纯组分所需最小功要所需最小功要大大，产品纯度，产品纯度越高，最小功越大。

26、越高，最小功越大。3)3)理想气体的分离最小功与理想气体的分离最小功与P P和被分离组分间和被分离组分间的的相对挥发度相对挥发度无关。无关。4)4)环境温度环境温度较高较高，所所需最小需最小功功较大较大例例6-1 设空气中含氧设空气中含氧21（体积），若在（体积），若在25常压常压下将空气可逆分离成下将空气可逆分离成95O2的气氧和的气氧和99N2的气的气氮，计算分离氮，计算分离1kmol空气的最小功。空气的最小功。 解：设产品气氧为解：设产品气氧为1，气氮为，气氮为2，氧为，氧为A，氮为，氮为B， （1）计算分离产物）计算分离产物1，2为非纯产品需最小功为非纯产品需最小功设产品气氧的量为设产

27、品气氧的量为xkmol，对分离前后的氧气作物，对分离前后的氧气作物料衡算：料衡算：10.21=0.95x+0.01(1x)得：x=0.213kmol所以产品气氮的量为0.787kmol，产品1，2的氧、氮摩尔出料如图。kmolkJyynyynRTWijijijikikikT4.105979.0ln79.021.0ln21.0298314.899.0ln99.001.0ln01.0787.0298314.85.0ln5.095.0ln95.0213.0298314.8lnln,min,出进计算分离空气为纯N2，纯O2所需最小功可见，分离成非纯产品时所需最小功小于分离成纯组分产品时所需的最小功。k

28、molkJyyyyRTnWFBFBFAFAFT4 .127379. 0ln79. 021. 0ln21. 0298314. 8lnln,min,（2 2）分离低压的）分离低压的液体混合物液体混合物 iiiixpf0iixz 分离成纯组分时所需最小功分离成纯组分时所需最小功 FiFiFiFTxxnRTWlnmin,讨论：讨论： 1 1）若溶液为）若溶液为正偏差正偏差（即（即 ），等温分离最），等温分离最小功将比分离理想溶液时小功将比分离理想溶液时小小；2)2)若溶液为若溶液为负偏差负偏差（即（即 ），等温分离最），等温分离最小功将比分离理想溶液时小功将比分离理想溶液时大大，原因是负偏差系统，原因

29、是负偏差系统，不同组分间的分子力大于同一组分分子间的力，所不同组分间的分子力大于同一组分分子间的力，所以更难分离；以更难分离；3)3)对于对于完全不互溶完全不互溶体系（即体系（即 ）最小最小功等于功等于零零。1, 1BA1, 1BA1, 1,FBBFAAxx例例6-26-2证明等温分离二元理想气体混合物为纯组证明等温分离二元理想气体混合物为纯组分，其最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进分，其最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进料的情况。料的情况。证明：由计算此情况下最小功公式证明：由计算此情况下最小功公式6 61010BFBFAFAFFTyyyyRTnWlnlnmin,对二元物系有：对二元物系

30、有：y yBFBF=1-y=1-yAFAF, ,将之代入上式得将之代入上式得AFAFAFAFFTyyyyRTnW1ln1lnmin,上式两边对上式两边对y yAFAF求导得：求导得：AFAFAFAFFTyyyyRTnWln1ln11ln1lnmin, 则则1 1y yAFAF=y=yAFAF, ,解得解得y yAFAF=0.5.=0.5.，即0ln1ln,0min, AFAFFTyyRTnW令令 由此证得，最小功函数的极大值出现在等由此证得，最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进料的情况。摩尔组成进料的情况。当当y yAFAF0.50.50.5， RTnWFTmin,所以所以y yAFAF=0.

31、5=0.5时，时， 有极大值。有极大值。6.2.2 6.2.2 非等温分离和有效能非等温分离和有效能 分离过程所需的最小功，按物系在分分离过程所需的最小功，按物系在分离离过程过程中的中的有效能的增量有效能的增量变化来表示变化来表示 )()(12012SSTHHBiFTTpiiFdTcyHiFTTFiFipiiFpypRdTTcyS)ln(分离成纯组分时分离成纯组分时STHB0净功净功LCHRTTQTTQWWW0011 出入净 由由可逆热机可逆热机将热转变将热转变为功，以确定实际过程为功，以确定实际过程的净功消耗。的净功消耗。精馏分离精馏分离 6.2.3 6.2.3 净功消耗净功消耗 RRTTQ

32、W01入CCTTQW01出6.2.46.2.4热力学效率热力学效率热力学效率热力学效率 净分离净WBWWmin若分离过程是若分离过程是完全可逆完全可逆的，热力学效率为的，热力学效率为1 1实际过程为不可逆过程，故必定小于实际过程为不可逆过程，故必定小于1.01.0通常通常: : 1)1)只依靠外加只依靠外加能量能量(ESA(ESA)的分离过程（如精馏、的分离过程（如精馏、结晶），热力学效率结晶），热力学效率较高较高；2)2)除加入除加入ESAESA，还需加入，还需加入MSAMSA的分离过程（如的分离过程（如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）热力学效

33、率热力学效率较低较低；3)3)速率速率控制的分离过程热力学效率控制的分离过程热力学效率更低更低。 如图精馏过程的净耗功为：如图精馏过程的净耗功为：QC TCQR TRDW F精 馏 塔CCRRTTQTTQW0011净 若进出体系的物料的焓若进出体系的物料的焓相近时，近似有相近时，近似有Q QR RQ QC CQ Q， 则则 RCTTTQW110净例例6-2某丙烯某丙烯(A)-丙烷丙烷(B)精馏塔。若进料为泡点进精馏塔。若进料为泡点进料，进料量料，进料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmolK)，塔顶馏出液，塔顶馏出液D=159.21k

34、mol/h，HD=12793.9kJ/kmol，SD=74.69 kJ/(kmolK)，塔底釜液，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，SW=66.10 kJ/(kmolK)，假，假设环境温度设环境温度T0294K。计算计算再沸器负荷再沸器负荷(冷凝器负荷冷凝器负荷QC=32401526kJ/h给定给定)；有效能变化；有效能变化；当再沸器加热剂温度当再沸器加热剂温度TR=377.6K，冷凝器冷却剂温度，冷凝器冷却剂温度TC=305.4K时的净时的净功消耗；功消耗；热力学效率。热力学效率。解：解：作全塔热量衡算：作全塔热量衡算： 己知己知T0294KCWDRF

35、QWHDHQFHhkJFHQWHDHQFCWDR14.3431191838.174016.2723240152637.303795.1129 .1279321.159hkJSTHBDDD96.916469.742949 .129730hkJSTHBwWw03.163600hkJSTHBFFF88.176010hkJBnBnBjjkk148350903.1636095.11296.916421.15988.1760116.272出进分离净功消耗净功消耗热力学效率热力学效率hkJTTQTTQWCCRR3 .63871134 .3052941324015266 .377294114.34311918

36、1100净%23.233 .63871131483509净WB例例 苯甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液苯甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液的温度分别为的温度分别为92 92 、82 82 和和108 108 ，设环境，设环境温度为温度为2020，塔顶冷凝器的热负荷为，塔顶冷凝器的热负荷为997kW997kW（用（用水冷却），塔釜再沸器热负荷为水冷却），塔釜再沸器热负荷为1025kw1025kw（用（用130130蒸汽加热）。试求过程净功消耗。蒸汽加热）。试求过程净功消耗。解：塔顶用水冷却，设循环水温为解：塔顶用水冷却，设循环水温为3535（308K308K）则由式则由式6 62525C0CR

37、0RTT1QTT1Q净WkJ/h22.231308293199740329311025净W6.3.6.3.分离过程的节能分离过程的节能6.3.1.6.3.1.分离过程的热力学分析分离过程的热力学分析精馏过程热力学不可逆的原因精馏过程热力学不可逆的原因 精馏过程精馏过程不可逆的根本原因是不可逆的根本原因是三三传的不可逆性传的不可逆性。其主要表现于以下几。其主要表现于以下几方面：方面： （1 1）流体流动时有）流体流动时有 （通过一定压力梯度的（通过一定压力梯度的动量传递）；动量传递）；（2 2） 传热时有一定传热时有一定温差温差（通过一定温度梯度（通过一定温度梯度的热量传递或不同温度的物流直接混

38、合）；的热量传递或不同温度的物流直接混合）；（3 3） 传质过程有传质过程有浓度差浓度差（通过一定浓度梯度（通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位的物流的质量传递或不同化学位的物流直接混合直接混合）；）；（4 4）还可能存在不可逆化学反应。）还可能存在不可逆化学反应。 P提高精馏过程热力学效率的途径提高精馏过程热力学效率的途径 （1 1） 降低流动过程的降低流动过程的 ，变，变板式塔板式塔为为填填料塔料塔是降低提高生产能力的主要途径；是降低提高生产能力的主要途径；P（2 2）减小塔顶冷凝器和塔底再沸器的）减小塔顶冷凝器和塔底再沸器的 , , 常常采用采用高效换热器高效换热器或改进或改进操作方式

39、操作方式；T（3 3）在较小）在较小R R或不同或不同R R（设（设中间再沸器中间再沸器或或中间冷中间冷凝器凝器）下操作，以便降低传热传质的不可逆性）下操作，以便降低传热传质的不可逆性（降低了所耗能量的品位，降低了有效能消耗，（降低了所耗能量的品位，降低了有效能消耗，从而提高了热力学效率）；从而提高了热力学效率）；（4 4） 采用采用双效双效或或多效精馏多效精馏（各塔采用不同压（各塔采用不同压力，使供入塔内的热量重复使用，重复使用的力，使供入塔内的热量重复使用，重复使用的次数称为效数）次数称为效数）（5 5）对原料中各组分沸点差不大的系统采用对原料中各组分沸点差不大的系统采用热热泵泵流程流程。

40、有效能的充分回收及利用有效能的充分回收及利用 采用加强设备的采用加强设备的保温保温及利用物流的部分及利用物流的部分显热显热或或潜热潜热等措施等措施 减少过程的净耗功减少过程的净耗功 改变分离过程改变分离过程操作条件操作条件减少过程的净耗功，如严控设计减少过程的净耗功，如严控设计富裕度富裕度，选定，选定最佳最佳R R 6.3.2.6.3.2.设置中间冷凝器和中间再沸器设置中间冷凝器和中间再沸器设置设置设置设置中间冷凝中间冷凝器和器和中间再沸器，使操作中间再沸器，使操作更趋于可逆精馏，净更趋于可逆精馏，净功消耗降低，同时可功消耗降低，同时可回收回收或或节省节省高位的能高位的能量。当量。当顶低温差较

41、大顶低温差较大时，效果尤佳。时，效果尤佳。若在中间冷凝器和中间若在中间冷凝器和中间再沸器之间加一热泵再沸器之间加一热泵，效率更高。，效率更高。6.3.3.6.3.3.多效精馏多效精馏 利用若干利用若干压力不同压力不同的精馏塔，按压力高低顺的精馏塔，按压力高低顺序进行组合，使序进行组合，使相邻两塔相邻两塔之间将之间将高压塔顶的蒸高压塔顶的蒸汽汽作为作为低压塔底的再沸器低压塔底的再沸器的的加热介质加热介质 多效精馏比单效精馏可多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽节省加热蒸汽的的30%-30%-50%50% 但需但需增增加设备加设备投资投资， 需要更需要更高高的的控制控制系统系统。 并流型混流型串联型

42、低 压 塔 高 压 塔F1F2D2W1W2D1低沸成分高沸成分1 1、并流型、并流型2 2、逆流型、逆流型 低 压 塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分3、混流型、混流型 低 压 塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分W 低 压 塔 高 压 塔FW1W2DS低沸成分高沸成分6.3.4.6.3.4.低温精馏的热泵低温精馏的热泵热泵热泵将精馏和制冷循环结合起来，把塔顶低将精馏和制冷循环结合起来，把塔顶低温处的热量传递给塔釜高温处的系统。温处的热量传递给塔釜高温处的系统。 解决办法解决办法 将将制冷与精馏结合制冷与精馏结合起来，把热量由低温起来，把热量由低温处传向高温处。处传向高温

43、处。存在问题存在问题 T T顶顶TT釜釜，热量不能自动由低温传向高温，热量不能自动由低温传向高温提出设想提出设想 将塔顶移出热量拿到塔釜供热将塔顶移出热量拿到塔釜供热精馏操作共同特点精馏操作共同特点 塔顶温度塔顶温度低于低于塔底温度塔底温度 塔塔顶顶需供冷需供冷移热移热，塔，塔釜釜须须供热供热 (1) (1)采用外部致冷剂的热泵采用外部致冷剂的热泵（闭式热泵）（闭式热泵）DW F精精 馏馏 塔塔(2)(2)采用压缩塔顶蒸汽的热泵采用压缩塔顶蒸汽的热泵（开式（开式A A型热泵）型热泵） FDW 精精 馏馏 塔塔(3)(3)采塔底液体闪蒸的热泵采塔底液体闪蒸的热泵（开式（开式B B型热泵）型热泵）

44、 低温精馏采用热低温精馏采用热泵可提高热力泵可提高热力学效率。当原学效率。当原料中各组分沸料中各组分沸点接近，且沸点接近，且沸点均小于环境点均小于环境温度时，效果温度时，效果更佳。更佳。DW F精精 馏馏 塔塔双塔式热泵精馏流程双塔式热泵精馏流程(4)(4)热泵精馏节能例子热泵精馏节能例子将温度较低将温度较低的塔顶蒸汽的塔顶蒸汽经压缩后作经压缩后作为塔底再沸为塔底再沸器的热源器的热源消耗一定量消耗一定量的机械功来的机械功来提高低温蒸提高低温蒸汽的能位而汽的能位而加以利用加以利用 12346.3.5 6.3.5 有关分离操作的节能经验规则有关分离操作的节能经验规则 P202表表6-1、如果进料混

45、合物中不止存在一相，则首选、如果进料混合物中不止存在一相，则首选采用机械分离采用机械分离、避免热量、冷量或机械功的损失；采用合、避免热量、冷量或机械功的损失；采用合适的绝热措施；避免排出大量热的或冷的产品，适的绝热措施；避免排出大量热的或冷的产品，质量分离剂等等质量分离剂等等、避免作过于安全的设计和（或）没有必要、避免作过于安全的设计和（或）没有必要使分离过度的实际操作；对于生产能力变动的使分离过度的实际操作；对于生产能力变动的装置，则寻求有效调节范围的设计装置，则寻求有效调节范围的设计、寻求有效的控制方案，以降低不稳定操作、寻求有效的控制方案，以降低不稳定操作时的过量能耗和减少由于能量积累所

46、引起的相时的过量能耗和减少由于能量积累所引起的相互影响对过程的干扰互影响对过程的干扰、在过程构成中寻求有效能最大者（或成本、在过程构成中寻求有效能最大者（或成本费用最大者）作为首要对象，通过过程的改进费用最大者）作为首要对象，通过过程的改进以降低能耗以降低能耗、在相际转移时，优先分离掉转移量少的而、在相际转移时，优先分离掉转移量少的而不是转移量多的组分不是转移量多的组分、使用的换热器要适当，换热器如果较贵，、使用的换热器要适当，换热器如果较贵，就要寻找传热系数较高的就要寻找传热系数较高的、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性可以达到要求，优先选择可以达到要

47、求，优先选择大的分离剂大的分离剂、只要好用，优先选择分离因子高的方案、只要好用，优先选择分离因子高的方案1010、避免将不相同组成温度的物流混合的设计、避免将不相同组成温度的物流混合的设计1111、分清不同形式的能量以及不同温度水平的、分清不同形式的能量以及不同温度水平的冷量和热量的价值差别；加进和引出热量要使冷量和热量的价值差别；加进和引出热量要使其温度水平接近于所需要的或是所具有的值；其温度水平接近于所需要的或是所具有的值；尽量有效地利用热源和热阱之间的整个温差，尽量有效地利用热源和热阱之间的整个温差，例如多效蒸发例如多效蒸发1212、对于在较小温差下输入热量来进行分离的、对于在较小温差下

48、输入热量来进行分离的过程，可以考虑使用热泵的可能性过程，可以考虑使用热泵的可能性1313、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂用量用量1414、当分离因子差不多时，优先选用能量分离、当分离因子差不多时，优先选用能量分离剂过程，而其次选质量分离剂过程，同时，如剂过程，而其次选质量分离剂过程，同时，如有必要分级，则优先考虑平衡过程，其次才考有必要分级，则优先考虑平衡过程，其次才考虑速率控制过程虑速率控制过程1515、在能量分离剂过程中，优先选择那些相变、在能量分离剂过程中，优先选择那些相变化潜热较低的分离剂化潜热较低的分离剂1616、如果压力降在能耗方面占重要

49、地位，应设、如果压力降在能耗方面占重要地位，应设法寻找能够降低压力降的有效的设备内件法寻找能够降低压力降的有效的设备内件6.46.4分离过程系统合成分离过程系统合成6.4.1.6.4.1.分离顺序数分离顺序数 若分离为清晰分离塔（若分离为清晰分离塔（锐分离器锐分离器），分离顺序数），分离顺序数S SC C：!1!12 cccSC当采用多种分离方法时当采用多种分离方法时CCSTS1 6.4.26.4.2 分离顺序的合成方法分离顺序的合成方法调优法调优法以以某个某个初始精馏初始精馏塔序塔序为为出发点出发点，按，按 照一定的调优法则和策略对它进行逐照一定的调优法则和策略对它进行逐 步改进，最终合成出

50、最优分离顺序。步改进，最终合成出最优分离顺序。确定分离顺序的方法：确定分离顺序的方法：调优法调优法算法合成法（最优合算法合成法（最优合成法）成法）经验法（试探法）经验法（试探法）经验法：经验法：依据经验规则对具体问题进行定性分析依据经验规则对具体问题进行定性分析而确定分离序列的方法而确定分离序列的方法。其优点是使用简便，不需进行十分繁杂的计算即其优点是使用简便，不需进行十分繁杂的计算即可从大量可能的序列中筛选出接近最优的序列。可从大量可能的序列中筛选出接近最优的序列。不足是缺乏严格的数学基础，不能合成出最优的不足是缺乏严格的数学基础，不能合成出最优的序列。序列。算法合成技术算法合成技术：有数学