分离过程的节能-分离工程课件.ppt

1、v混合过程为不可逆过程，其逆过程（分离过混合过程为不可逆过程，其逆过程（分离过程）耗能。程）耗能。v学习本章意义：v 1.确定完成一个分离过程所需理论最小能量；v 2.确定接近此能量极限的实际过程，或减小使用昂贵能量的实际过程。第一节 第二节 第三节 第一节 分离的最小功和热力学效率6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.1 等温分离最小功v热力学第二定律：完成同一变化的任何可 逆过程所需功相等。连续稳定分离系统：连续稳定分离系统：1,1,1HiznmHmizmn,1,1,1 mHmizmn2,2,2HiznWQ进出系统物流变量：进出系统物流变量：n，zi，H，S（熵），（熵），Q 系统对

2、环境作功：系统对环境作功：W出进WHnQHnKKjj -T进出jjKKSnSnQ -T-min,进出进出jjKKjjKKTSnSnHnHnW可逆过程：ST-HWTmin,TSHG Gn-GnWjjKKTmin,进出iiizG0iiiiflnflnRT lnln,min,进出jijijKikiKTfznfznRTW,iiiizyfy P lnln,min,进出jijijKikiKTfznfznRTW 1,Kiy ylnynylnynRTWj,ij,ijK,ik,iKTmin,进出对于二元理想气体混合物，若分离成纯A、B气体产品，则：对于理想气体 lnln,min,进出jijijKikiKTyyn

3、yynRTW ylnyylnyRTnWF,BF,BF,AF,AFTmin,6931.0min,的最大值是RTnWFTv例题6-1：.T=294.4K，P=101.3kPa，计算所需最小分离功。（1）分离成含丙烷99%和含丙烷95%的两股气体。（2）分离成两股纯气体。Fi yiC3=360 0.6C30 240 0.4 600分离 Fi yiC3=47.49 0.99C30 3.51 0.01 351.0 Fi yiC3=12.5 0.05C30 236.49 0.95 249.0 ylnynylnynRTWj,ij,ijK,ik,iKTmin,进出解：（1）=(8314)(294.4)(351

4、)0.991n0.99+0.01ln0.01+(249)0.05ln0.05+0.95ln0.95-(600)0.60ln0.6+0.40ln0.48.19108Jh（2）-Wmin,T=-(8314)(294.4)(600)0.60ln0.6+0.40ln0.49.88108Jh分离分离低压下的液体混合物分离分离低压下的液体混合物 lnln,min,进出jijijKikiKTfznfznRTW对于二元液体混合物，若分离成纯A、B溶体产品，则：1ix lnln,min,进i出ijijijijKiKiKiKTxxnxxnRTW lnlni,i,min,进出jijijijKiKiKiKTxxnxx

5、nRTWmin,B,lnlnTFA FA FA FB FFB FWRTnxxxx 进出进出i,i,i,i,min,lnln lnlnjijijKiKiKjijijKiKiKTxnxnRTxxnxxnRTWliiOLiifx fRTPPvPffSSiLiiSiLiOLiexp1expSiLiRTpPV1SiSiiiLiPxf?iixz 1ix 1i 1lniix时，进料294.4K，101.3KPa Kmol/h xi iM 14458.8 0.5807 1.08W 10439.1 0.4193 1.20 24897.9分离富甲醇294.4K，101.3KPa Kmol/h xi iM 1435

6、3.6 0.9905 1.0W 137.0 0.0095 1.57 14490.6 废水294.4K，101.3KPa Kmol/h xi iM 105.2 0.0101 1.75W 10302.1 0.9899 1.00 10407.3例题6-2225.1125.0logWMMxx28.0120.0logMWWxx解：（1）求i；（2）求-Wmin,ThJRTRTRTRTRTRTxnxnRTxxnxxnRTWjijijKiKiKjijijKiKiKT/10*101.310*086.710*8.320.1ln4193.008.1ln5807.0)9.24897(00.1ln9899.075.1

7、ln0101.0)3.10407(57.1ln0095.000.1ln9905.0)6.14490(4193.0ln4193.05807.0ln5807.0)9.24897(9899.0ln9899.00101.0ln0101.0)3.10407(0095.0ln0095.09905.0ln9905.0)6.14490(lnln lnln10910i,i,i,i,min,进出进出传热速率传热速率 进进，出出TjjkkWHnHnQminTPTWQH，热热为为下下进进入入和和离离开开，且且混混合合、物物料料在在相相同同的的）。（故故：焓焓变变为为理理想想气气体体：min000 TWQH，压压力力下

8、下进进入入和和离离开开在在环环境境温温度度和和接接近近环环境境）。（故故：焓焓变变也也为为理理想想溶溶液液液液相相混混合合物物：min00 进进出出，）（非理想溶液：非理想溶液：EjjEkkTHnHnWQmin负，过程为放热负，过程为放热负偏差溶液：过剩焓为负偏差溶液：过剩焓为正，过程为吸热正，过程为吸热正偏差溶液：过剩焓为正偏差溶液：过剩焓为出进WHnQHnKKjj非等温分离和有效能非等温分离和有效能出进WHnQHnKKjjjjKKQn Sn SST产生出0出进产生SjjjKKKWQTTSTSTHnSTHn00001出进SjjKKWQHnHn0BHT S出进产生SjjKKWQTTSTBnBn

9、001QTTWc01产生出进分离产生净SSnnWWjKKS00jcTBTBBW令令:由卡诺循环由卡诺循环,可逆热机等当功可逆热机等当功:熵平衡式熵平衡式:分离B0min,TW(非等温不可逆过程）非等温不可逆过程）(1)+(2)(1)+(2)*T T0 0）产生产生（分离分离净净非等温可逆过程：非等温可逆过程：0 SBW（可逆过程）（可逆过程）分离分离净净分离分离的热库交换。的热库交换。过程的热量与温度为过程的热量与温度为）（有效能定义：有效能定义：STHBWWTSTHBWSTHBTT 00min,000min,0226)246()ln()236(,FFiiiFTiPiFiiFTiPiFiPxP

10、RdTTTCxSdTTCxH6.1.3净功消耗和热力学效率v通常，分离过程所需的能量多半是以热能形式而不通常，分离过程所需的能量多半是以热能形式而不是以功的形式提供的。是以功的形式提供的。v一般以一般以W净计算能量：净计算能量：v 净功消耗：净功消耗：W净净=W入入W出出v一般分离过程：一般分离过程：原料原料产物产物QCQRTCTR）（）（可逆热机功：可逆热机功：出出入入CCCRRRTTTQWTTTQW00 ）（）（）（过程消耗的净功：过程消耗的净功：出出入入净净25600 CCCRRRTTTQTTTQWWWQQQCR 有：有：料的焓差别极小，料的焓差别极小，分离过程产生的焓与原分离过程产生的

11、焓与原分离分离净净产生产生分离分离净净有：有：）：）：由（由（BWSTBW 0206）为：）为：（256 )266(0110 ）（净净RCTTQTW1 净净分分离离率率：定定义义分分离离过过程程热热力力学学效效WB 非等温可逆过程为非等温可逆过程为1。325.2K，2027KpaC3H6 163.3 C3H8 108.86HF=1740.38,SF=65.79330.8K，2068KpaC3H6 5.68 C3H8 107.27HW=3073.37,SW=66.10319.8K，1930.5KpaC3H6 157.628 C3H8 1.59HW=12793.9,SW=74.69水蒸汽377.6

12、K釜液377.6K冷却水305.4K塔顶蒸汽305.4K32401526kj/hD157.62+1.59159.2l，W5.68+107.27112.95，F163.3+108+86272+16F*HF+QRD*HD+W*HW+QcBD=HD-T0SD=-9164.96，BW=HW-T0SW=-16360.03BF=HF-T0SF=-17601.88QR=34311918.14 jBB1483509/KKjBnnkJ h分离进出00RCRCTT116387113.3 kJ/hTTWQQ净B=23.23%W 净分离QR=34311918.14 Qc=32401526 6.2.1精馏过程的热力学不

13、可逆性分析1 净净分离分离WB 不可改变不可改变组成有关组成有关、与与分离分离PTSTHB 0 ，使，使若若净净W逆过程逆过程即：使过程尽量接近可即：使过程尽量接近可热力学不可逆性：热力学不可逆性：1.1.通过一定压力梯度动量传递通过一定压力梯度动量传递2.2.通过一定温度梯度热量传递通过一定温度梯度热量传递3.3.通过一定浓度梯度质量传递（或不同化学位物流通过一定浓度梯度质量传递（或不同化学位物流直接混合直接混合）分离分离净净（非等温可逆过程：（非等温可逆过程：BW v使净功降低的方法：使净功降低的方法：v 降低压差降低压差 减少温差减少温差 减少浓度与平衡浓度差减少浓度与平衡浓度差v1）塔

14、设备）塔设备v 若若N越多，使越多，使P，不可逆性越大，不可逆性越大v 可使：可使：气速气速，液层高度，液层高度；使；使P v 但是：但是：气速气速，生产能力不变时，生产能力不变时D，投资费，投资费v 液层高度液层高度，板效率，板效率v改进方式：改进方式：1.选择合适的塔径、液层高度；选择合适的塔径、液层高度；v 2.改板式塔为高效填料塔。改板式塔为高效填料塔。v2）再沸器、冷凝器）再沸器、冷凝器v若传热温差小，不可逆性减小若传热温差小，不可逆性减小v但是：但是：传热面积传热面积，设备费用，设备费用v 液层高度液层高度，板效率，板效率v改进方式：改进方式：1.采用高效换热器采用高效换热器v 2

15、.改进操作方式改进操作方式v3）传热推动力、传质推动力）传热推动力、传质推动力v精馏操作：精馏操作：Ln-1，Vn+1进入进入n板，板，v 对对Vn，Ln在在 n 板温度和浓度相互不平衡板温度和浓度相互不平衡v改进方式：改进方式：1.传热推动力传热推动力 T=（Tn+1Tn-1）v 2.传质推动力传质推动力 y=（Kn-1Xn-1,iyn,i）v即：即：y-x图中，操作线向平衡线靠近图中，操作线向平衡线靠近 T y RRmyAXAXAyAR=RmXA yA 分段精馏分段精馏增加两个换热器增加两个换热器XAyA可逆精馏可逆精馏操作线与平衡线重合操作线与平衡线重合多股进料和侧线采出多股进料和侧线采

16、出多股进料多股进料y-xy-x图图侧线采出侧线采出液相侧线采出液相侧线采出y-xy-x图图气相侧线采出气相侧线采出y-xy-x图图中间再沸器和中间冷凝器中间再沸器和中间冷凝器 中间再沸器和中间再沸器和 冷凝器流程冷凝器流程 中间再沸器和中间再沸器和 冷凝器冷凝器y-xy-x图图SRVSRV精馏精馏多效精馏v利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序进行组合，使利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序进行组合，使相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔顶的再沸器的预相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔顶的再沸器的预热介质热介质 v多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽的多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽的

17、30%-50%。多效精馏原理示意图多效精馏原理示意图a.a.并流型并流型c.c.混流混流型型b.b.逆流型逆流型d.d.混流混流型型 e.e.分流型分流型双效精馏五种基本方式双效精馏五种基本方式多效精馏v。节节能能效效果果(%)(%)效数效数N N节能效果与效数关系节能效果与效数关系热泵精馏热泵精馏精馏塔一般制冷流程精馏塔一般制冷流程精馏塔闭式热泵流程精馏塔闭式热泵流程热泵精馏热泵精馏精馏塔开式热泵流程精馏塔开式热泵流程A A型型B B型型热偶合精馏热偶合精馏从某个塔引出一股从某个塔引出一股液相物流液相物流直接作为另一个精馏塔的直接作为另一个精馏塔的液相回流液相回流，或引出，或引出一股一股气相

18、物流气相物流直接作为另一个精馏塔的直接作为另一个精馏塔的上升蒸汽上升蒸汽，实现通过物流直接接触，实现通过物流直接接触来提供所需热量，其精馏过程叫热偶合精馏。来提供所需热量，其精馏过程叫热偶合精馏。直接序列热偶合精馏直接序列热偶合精馏侧线精馏式流程侧线精馏式流程间接序列热偶合精馏间接序列热偶合精馏侧线提馏式流程侧线提馏式流程预分离流程预分离流程偶合预分离流程偶合预分离流程隔壁塔隔壁塔隔壁塔示意图（未画出冷凝器和再沸器）隔壁塔示意图（未画出冷凝器和再沸器）v6.3.1简单分离顺序的合成v一、分离顺序数一、分离顺序数v 将混合物将混合物ABCDE(按挥发度降低排列）按挥发度降低排列）分离为纯分离为纯

19、组分组分。二元：二元：ABAB一个塔，一个塔，一种方案一种方案三元：三元：ABCABCABABCABCBC二个塔，二个塔，二种方案二种方案四元：四元：ABCDABCDBCCDD按相对挥发按相对挥发度度递减递减采出采出ABCDAABCBCABD按相对挥发按相对挥发度度递增递增采出采出ABCDABCDBCDBCAABCDABCBCBCDAABCDABBCCDD按相对挥按相对挥发度发度交错交错采出的逆采出的逆序流程序流程三个塔，五种方案三个塔，五种方案C个组分，采用个组分，采用C-1个塔，分离序数为：个塔，分离序数为：CCSTS1 T不同质量分离剂对相同组分分离方法数；不同质量分离剂对相同组分分离方法数；C系统组分数；系统组分数；SC简单塔计算顺序数。简单塔计算顺序数。C=2时，S2=S1S1=1;C=3时，S3=S1S2+S2S1=2,依次类推)!1(12CCCSC！）（11CijCjCSSS考虑不同的分离方法数，分离序数为：考虑不同的分离方法数，分离序数为：