《化工分离工程》PPT课件.ppt
第六章第六章 分离过程的节能分离过程的节能 混合过程为不可逆过程，其混合过程为不可逆过程，其逆过程（分离过程）耗能。逆过程（分离过程）耗能。学习本章意义：1.确定完成一个分离过程所需理论最小能量；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。第六章第六章 分离过程的节能分离过程的节能第一节第一节 分离的最小功和热力学效率分离的最小功和热力学效率第二节第二节 精馏的节能技术精馏的节能技术第三节第三节 分离顺序的选择分离顺序的选择返回返回第一节第一节 分离的最小功和热力学效率分离的最小功和热力学效率 等温分离最小功等温分离最小功 非等温分离和有效能非等温分离和有效能 净功消耗和热力学效率净功消耗和热力学效率返回返回热力学第二定律：热力学第二定律：完成同一变化的任何可完成同一变化的任何可 逆过程所需功相等。逆过程所需功相等。6.1.1 等温分离最小功等温分离最小功连续稳定分离系统：连续稳定分离系统：进出系统物流变量：进出系统物流变量：n，zi，H，S（熵），（熵），Q 系统对环境作功：系统对环境作功：W）（96-物物一、分离理想气体混合一、分离理想气体混合)86(-二、分离低压下液体混合物二、分离低压下液体混合物 例例6-1；例例6-2传热速率：传热速率：返回返回非等温分离和有效能非等温分离和有效能河水温度）河水温度）（规定：海洋、大气、（规定：海洋、大气、环境温度环境温度设设0T熵平衡：熵平衡：非等温不可逆过程）非等温不可逆过程）分离分离净净(BWD D-分离过程有效能变化分离过程有效能变化）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=D DD D=-SBW式（式（6-20），（），（6-22）中：）中：返回返回净功消耗和热力学效率净功消耗和热力学效率 通常，分离过程所需的能量多半是以热能形式通常，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。而不是以功的形式提供的。一般以一般以W净净计算能量：计算能量：净功消耗：净功消耗：W净净=W入入W出出一般分离过程：一般分离过程：原料原料产物产物QCQRTCTR）为：）为：（256-)266(0110-=-）（净净RCTTQTW 非等温可逆非等温可逆过程为过程为1。例例6-3 设环境温度设环境温度T0=294K，计算：，计算：1.再沸器负荷（冷凝器负荷给定）再沸器负荷（冷凝器负荷给定）2.有效能变化有效能变化 3.净功消耗净功消耗 4.热力学效率热力学效率解：解：计算机准：计算机准：1小时小时1.由图解得：由图解得：全塔热量衡算：全塔热量衡算：QRT0=294KQR=34311918.14kJ/hQC=32401526kJ/h习题：P202 3题 3题返回返回第二节第二节 精馏的节能技术精馏的节能技术 精馏过程的热力学不可逆性分析精馏过程的热力学不可逆性分析 多效精馏多效精馏 低温精馏的热泵低温精馏的热泵 设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏返回返回精馏过程的热力学不可逆性分析精馏过程的热力学不可逆性分析逆过程逆过程即：使过程尽量接近可即：使过程尽量接近可）分离分离净净（非等温可逆过程：（非等温可逆过程：BWD D=-热力学不可逆性：热力学不可逆性：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.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.通过一定浓度梯度质量传递（或不同化学位物流直接混合通过一定浓度梯度质量传递（或不同化学位物流直接混合）使净功降低的方法：使净功降低的方法：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1）塔设备）塔设备 若若N越多，使越多，使P，不可逆性越大，不可逆性越大 可使：可使：气速气速，液层高度，液层高度；使；使P 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 液层高度液层高度，板效率，板效率改进方式：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 2.改板式塔为高效填料塔改板式塔为高效填料塔2）再沸器、冷凝器）再沸器、冷凝器 若传热温差小，不可逆性减小若传热温差小，不可逆性减小但是：但是：传热面积传热面积，设备费用，设备费用 液层高度液层高度，板效率，板效率改进方式：改进方式：1.采用高效换热器采用高效换热器 2.改进操作方式改进操作方式3）传热推动力、传质推动力）传热推动力、传质推动力精馏操作：精馏操作：Ln+1，Vn-1进入进入n板，板，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改进方式：改进方式：1.传热推动力传热推动力 T=（Tn-1Tn）2.传质推动力传质推动力 y=（KnXn,iyn-1,i）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=RmN=换热器换热器台台塔径：塔径：中间大，两头小中间大，两头小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XA yA 分段精馏分段精馏增加两个换热器增加两个换热器返回返回(a)分别进料(b)低压塔产物进高压塔(C)产物前馈进料产物前馈进料返回返回6.2.2 多效精馏多效精馏多效精馏：多效精馏：能量减少能量减少3040%图图6-7：多效精馏塔的基本方式多效精馏塔的基本方式多效精馏塔的基本方式多效精馏塔的基本方式特点：特点：高压塔气相采出是低压塔塔釜的热源；高压塔气相采出是低压塔塔釜的热源；用一倍的热处理两倍之多进料。用一倍的热处理两倍之多进料。例例6464返回返回返回返回6.2.3 低温精馏的热泵低温精馏的热泵用于：用于：组分沸点差较小的低温精馏组分沸点差较小的低温精馏采用：采用：膨涨阀、压缩机膨涨阀、压缩机三种：三种：1.外部制冷剂外部制冷剂 图图图图6969 2.压缩塔顶蒸汽压缩塔顶蒸汽 图图图图610610 3.用再沸器气体闪蒸用再沸器气体闪蒸 图图图图611611 表表61 低温下丙烯低温下丙烯低温下丙烯低温下丙烯丙烷分离的热力学效率丙烷分离的热力学效率丙烷分离的热力学效率丙烷分离的热力学效率和日公用和日公用和日公用和日公用费用费用返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回6.2.4 设置设置中间冷凝器和中间再沸器中间冷凝器和中间再沸器的精馏的精馏 1.使操作向可逆精馏方向趋近使操作向可逆精馏方向趋近 2.采用中等温度的再沸器和冷凝器采用中等温度的再沸器和冷凝器 图图613 SRV蒸馏蒸馏特点：特点：沿全塔布置的换热元件能大大降低塔沿全塔布置的换热元件能大大降低塔顶、塔釜负荷顶、塔釜负荷 提馏段：提馏段：蒸汽流率自下而上稳定增加蒸汽流率自下而上稳定增加 精馏段：精馏段：液体回流量自上而下稳定增加液体回流量自上而下稳定增加返回返回返回返回返回返回第三节第三节 分离顺序的选择分离顺序的选择6.3.1 简单分离顺序的合成简单分离顺序的合成6.3.2 复杂塔的分离顺序复杂塔的分离顺序返回返回一、分离顺序数一、分离顺序数 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）分离为纯组分。分离为纯组分。简单分离顺序的合成简单分离顺序的合成ABAB二元：二元：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：顺序流程顺序流程三个塔，五种方案三个塔，五种方案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AABCDABCBCBCDABCDABCDBCDBCAABCDABBCCDD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：用（用（628）或（）或（629）计算结果列入）计算结果列入表表62。对于特殊精馏：对于特殊精馏：例萃取精馏：加质量分离剂，且数目多。例萃取精馏：加质量分离剂，且数目多。总序数：总序数：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。例例6-5 用普通精馏将混合物分离成三个产用普通精馏将混合物分离成三个产品，确定分离顺序数。品，确定分离顺序数。（相对挥发度递减）（相对挥发度递减）解：产品挥发性不相邻解：产品挥发性不相邻 方法：方法：1.先分出纯品，先分出纯品，查表查表62：C=5时，时，SC=14 2.再将烷烃、烯烃混合再将烷烃、烯烃混合 结论：采用普通精馏不合理结论：采用普通精馏不合理二、确定分离顺序的经验法二、确定分离顺序的经验法u经验法（启发法）优点：经验法（启发法）优点：不用对所有可能的分离顺序进行考察，在不作不用对所有可能的分离顺序进行考察，在不作设计和设备费用估计情况下，很快选出好顺序。设计和设备费用估计情况下，很快选出好顺序。普通塔经验法：普通塔经验法：1.按相对挥发度递减顺序分离按相对挥发度递减顺序分离依据：依据：Underwood式：式：馏出物中：馏出物中：1.组分数少，组分数少，Vm少，热负荷低；少，热负荷低；2.若混合物中含低沸物，使之不进入后面塔。若混合物中含低沸物，使之不进入后面塔。大。大。提馏段热力学不可逆性提馏段热力学不可逆性反之，若反之，若大。大。精馏段热力学不可逆性精馏段热力学不可逆性，更接近与更接近与）比（比（）使（使（定；若定；若后，塔釜蒸汽蒸发量一后，塔釜蒸汽蒸发量一规定规定釜采出相差不大）釜采出相差不大）尽可能对分（塔顶与塔尽可能对分（塔顶与塔提提精精,1,.3),(WDVLVLWDRWLVDLV-=+=4.分离要求高的组分最后分分离要求高的组分最后分 分离要求：纯度、回收率分离要求：纯度、回收率纯度高，纯度高，N多，此时无关键组分，使塔径减小。多，此时无关键组分，使塔径减小。5.含量多的组分先分含量多的组分先分 使后面能量降低、塔径减小。使后面能量降低、塔径减小。6.特殊组分先分特殊组分先分 特殊组分：热敏性、强腐蚀性、易爆、易燃等。特殊组分：热敏性、强腐蚀性、易爆、易燃等。注意：注意：1.以上经验互相冲突，要综和考虑主要方面；以上经验互相冲突，要综和考虑主要方面；2.不须得到纯组分时，采用侧线采出来减少塔数目。不须得到纯组分时，采用侧线采出来减少塔数目。例例6-6 确定较好的精馏塔序。确定较好的精馏塔序。解：解：1.根据沸点差和产品纯度来考虑根据沸点差和产品纯度来考虑 2.根据馏出液和釜液流量相差不大来考虑。根据馏出液和釜液流量相差不大来考虑。6.3.2 复杂塔的分离顺序复杂塔的分离顺序 200页页例例6-7 201页页习题：P203 7题返回返回
