化工分离过程课件第7章分离过程的节能优化与集成.pptx

《化工分离过程课件第7章分离过程的节能优化与集成.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工分离过程课件第7章分离过程的节能优化与集成.pptx（227页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1传传 质质 分分 离离 过过 程程第七章第七章分离过程的节能优化与集成分离过程的节能优化与集成主要内容及要求：主要内容及要求：学习并掌握分离过程的最小功和学习并掌握分离过程的最小功和热力学效率，了解精馏的节能技术，热力学效率，了解精馏的节能技术，分离方法选择的一般原则，分离序列分离方法选择的一般原则，分离序列的确定方法及分离过程的集成。的确定方法及分离过程的集成。2第七章第七章分离过程的节能优化与集成分离过程的节能优化与集成7.1分离过程的最小功和热力学效率分离过程的最小功和热力学效率7.2精馏的节能技术精馏的节能技术7.3分离流程的优化分离流程的优化7.4分离流程的集成分离流程的集成3分分

2、离离是是混混合合的的逆逆过过程程，不不能能自自发发进进行行，需需要以热或功的形式加入能量。要以热或功的形式加入能量。能能耗耗是是大大规规模模分分离离过过程程的的关关键键指指标标，能能耗耗费费用用总总是是大大于于设设备备的的折折旧旧费费用用，通通常常会会占占据操作费用的主要部分。据操作费用的主要部分。因因此此，确确定定具具体体混混合合物物分分离离的的最最小小能能耗耗，了了解解影影响响能能耗耗的的主主要要因因素素，寻寻求求接接近近此此极极限限能能耗耗的的实实际际分分离离过过程程是是很很有有意意义义的的。再再者者，世世界界能能源源日日趋趋紧紧张张的的状状况况也也使使得得化化工工节节能能问问题显得尤为

3、重要。题显得尤为重要。4Theemergenceofenergyasaunifyingconceptinphysicswasnotadopteduntilthemiddleofthe19thcenturyandwasconsideredoneofthemajorscientificachievementsinthatcentury.Itisdifficulttodefinetheconceptofenergyexactly.Energy5Energyisascalarquantitythatcannotbeobserveddirectlybutcanberecordedandevaluated

4、byindirectmeasurements.Theabsolutevalueofenergyofsystemisdifficulttomeasure,whereasitsenergychangeisrathereasytocalculate.Energy6MacroscopicformsofEnergyFormsofEnergyMicroscopicformsofEnergyasystempossessesasawholewithrespecttosomeoutsidereferenceframes.relatedtothemolecularstructureofasystemandthed

5、egreeofthemolecularactivity,independentofoutsidereferenceframes.KineticEnergy;PotentialEnergyInternalenergy:sensibleandlatent,chemical,nuclear,electrical,mechanical,magnetic,surfaceenergy.7TotalEnergyIntheabsenceofelectrical,magnetic,surface,etceffects,thetotalenergycanbeexpressedasthesumoftheintern

6、al,kineticandpotentialenergies.Energycanbetransferredtoorfromasysteminthreeforms:HeatQ;WorkW;MassflowmTheflowofenergymaintainsorderandlife.8Itisofconsiderableinteresttoknowtheextentofenergyconsumptioninaseparationprocess,andtowhatdegreeenergyrequirementsmightbereduced.Suchenergyestimatescanbemadebya

7、pplyingthefirstandsecondlawsofthermodynamics.9Alsoreferredtoastheconservationofenergyortheenergybalance.Energycanbechangedfromoneformtoanother,butitcannotbecreatedordestroyed.ThetotalamountofenergyandmatterintheUniverseremainsconstant,merelychangingfromoneformtoanother.FirstLawofThermodynamics(FLT):

8、10FirstLawofThermodynamics(FLT):Netenergytransferbyheat,work,andmassChangeinenergyThenetchange(increaseordecrease)inthetotalenergyofthesystemduringaprocessisequaltothedifferencebetweenthetotalenergyenteringandthetotalenergyleavingthesystemduringtheprocess.11FirstLawofThermodynamics(FLT):changeofinte

9、rnalenergyheataddedtothesystemworkdonebythesystem12TheClausiusstatement:SecondLawofThermodynamics(SLT):Itisimpossibleforasystemtotransferheatfromalowertemperaturereservoirtoahighertemperaturereservoir.Simply,heattransfercanonlyoccurspontaneouslyinthedirectionoftemperaturedecrease.TheKelvin-Plancksta

10、tement:Itisimpossibleforasystemtoreceiveagivenamountofheatfromahigh-temperaturereservoirandprovideanequalamountofworkoutput.13TheSLTassertsthatenergyhasqualityaswellasquantity,andactualprocessesoccurinthedirectionofdecreasingqualityofenergy.SecondLawofThermodynamics(SLT):Irreversibleprocessescanbeob

11、servedeverywhereinwhichtimesymmetryisbroken.Thedistinctionbetweenreversibleandirreversibleprocesseswasfirstintroducedinthermodynamicsthroughtheconceptof“Entropy”.14Whenasystemisisolated,energyincreasewillbezero,buttheentropyofthesystemwillcontinuetoincreaseduetoirreversibleprocessesandreachthemaximu

12、mpossiblevalue,whichisthestateofthermodynamicequilibrium.SecondLawofThermodynamics(SLT):Entropyisameasureofthedegreeofrandomnessormoleculardisorderwithinthesystems.Asystemcanonlygenerate,notdestroy,entropy.Theentropyofasystemcanbeincreasedordecreasedbyenergytransportsacrossthesystemboundary.15FLT:“Y

13、oucannotgetsomethingfornothing.”FLTandSLTSLT:“Youcannotevengetallyoupayfor.”167.1 分离过程的最小功和热力学效率分离过程的最小功和热力学效率Minimum Work and Thermodynamic Efficiency 17由由SLT可知，完成同一变化的任何可可知，完成同一变化的任何可逆过程所需的功均相等，因此，逆过程所需的功均相等，因此，达到一达到一定分离目的所需的最小功可以通过假想定分离目的所需的最小功可以通过假想的可逆过程计算出来的可逆过程计算出来。最小功的数值决。最小功的数值决定于待分离混合物的组成、压

14、力和温度定于待分离混合物的组成、压力和温度以及分离所得产品的组成、压力和温度。以及分离所得产品的组成、压力和温度。187.1.1最小分离功最小分离功MinimumWorkofSeparationFigure7-1Acontinuous,steady-stateflowsystemforageneralseparationprocess摩尔流率摩尔流率传入系统的总热量流率传入系统的总热量流率摩尔焓摩尔焓摩尔组成摩尔组成系统对环境做功系统对环境做功20FirstLawofThermodynamics-energybalance：(7-1)(streamenthalpyflows+heattrans

15、fer+shaftwork)leavingsystem-(streamenthalpyflows+heattransfer+shaftwork)enteringsystem=021对于等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均对于等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为为T，根据，根据热力学第二定律热力学第二定律：(7-2)流出系统的物流的流出系统的物流的熵的总和熵的总和进入系统的物流的进入系统的物流的熵的总和熵的总和SecondLawofThermodynamics-entropybalance：(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer

16、)leavingsystem-(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer)enteringsystem=productionofentropybytheprocess得到等温下稳定流动的分离过程所需最小功：得到等温下稳定流动的分离过程所需最小功：(7-2)(7-1)(7-3)即即 23由自由能的定义由自由能的定义G=HTS式（式（7-3）也可以整理为物流自由能的增量：）也可以整理为物流自由能的增量：(7-4)(7-3)24(7-5)一个混合物的摩尔自由能由各组分的偏一个混合物的摩尔自由能由各组分的偏摩尔自由能，即化学位加和得到：摩尔自由能，即化

17、学位加和得到：(7-4)而化学位与组分逸度的关系式为：而化学位与组分逸度的关系式为：(7-6)25若进、出物流的同一组分具有相同的基准态，则得若进、出物流的同一组分具有相同的基准态，则得到用逸度表示的最小功：到用逸度表示的最小功：(7-7)(7-4)(7-5)(7-6)26The minimum work(Wmin)is theworkrequiredtoconducttheseparationandisequivalenttothedifferenceintheheattransferandshaftwork.Thisminimumworkisindependentofthe nature(

18、or path)of the separationprocess.Theworkofseparationforanactualirreversible process is always greaterthantheminimumvalue.Wmin27 分分离离的的最最小小功功表表示示了了分分离离过过程程耗耗能的最低限。能的最低限。最最小小分分离离功功的的大大小小标标志志着着物物质质分分离离的的难难易易程程度度，为为了了使使实实际际分分离离过过程程更更为为经经济济，应应设设法法使使能能耗耗尽尽量量接接近于最小功。近于最小功。28对于理想气体混合物：对于理想气体混合物：zi=yi 且且(7-8

19、)一、分离理想气体混合物一、分离理想气体混合物化简为：化简为：(7-7)29对对于于由由A和和B两两组组分分构构成成的的二二元元气气体体混混合合物物在在进进料料温温度度和和压压力力下下被被分分离离成成纯纯A和和纯纯B产产品品的的情况，式（情况，式（7-8）可简化为无因次最小功：）可简化为无因次最小功：(7-8)(7-9)30 如果分离产品不是纯组分，则如果分离产品不是纯组分，则该过程的最小分离功等于原料分该过程的最小分离功等于原料分离成纯组分的最小分离功减去产离成纯组分的最小分离功减去产品分离成纯组分所需要的最小分品分离成纯组分所需要的最小分离功，可见，产品的纯度越低，离功，可见，产品的纯度越

20、低，所需的最小分离功越小。所需的最小分离功越小。p292例例7-131二、分离低压下的液体混合物二、分离低压下的液体混合物低低压压下下液液体体混混合合物物的的组组成成为为xi，组组分分i的的逸度逸度 ，式（，式（7-7）简化为：）简化为：(7-7)(7-10)32(7-10)二元液体混合物分离成纯组分液体产品，二元液体混合物分离成纯组分液体产品，式（式（7-10）可化简为：）可化简为：(7-11)除温度以外，最小功仅决定于进料组成除温度以外，最小功仅决定于进料组成和性质，和性质，i1的混合物比的混合物比 i0，所所有有情情况况下下（Wnet）Bsep，热热力力学学效效率必定小于率必定小于1。5

21、8一一般般说说来来，只只靠靠外外加加ESA的的分分离离过过程程（如如精精馏馏、结结晶晶、部部分分冷冷凝凝），热热力力学学效效率率往往往往高高些些；同同时时加加入入ESA和和MSA的的分分离离过过程程（如如共共沸沸精精馏馏、萃萃取取精精馏馏、萃萃取取和和吸吸附附）热热力力学学效效率率较较低低；而而速速率率控控制制的的分分离离过过程程（膜分离）则更低。（膜分离）则更低。不不同同类类型型的的分分离离过过程程，其其热热力力学学效效率率各各不不相同。相同。59由于流体阻力造成的有效能损耗；由于流体阻力造成的有效能损耗；节流膨胀过程的有效能损失；节流膨胀过程的有效能损失；由由于于热热交交换换过过程程中中推

22、推动动力力温温差差存存在在造造成的有效能损失；成的有效能损失；由由于于非非平平衡衡的的两两相相物物流流在在传传质质设设备备中中混合和接触传质造成的有效能损失。混合和接触传质造成的有效能损失。分离过程中有效能损失的主要形式分离过程中有效能损失的主要形式60 选取适宜的分离方法；选取适宜的分离方法；研究复杂混合物的适宜分离流程；研究复杂混合物的适宜分离流程；确确定定各各个个具具体体分分离离操操作作的的适适宜宜条条件件和和参数，以及设备的结构和尺寸等。参数，以及设备的结构和尺寸等。节约分离过程能耗的途径节约分离过程能耗的途径617.2精馏的节能技术精馏的节能技术Energy-savingTechno

23、logiesinDistillationSystems62精馏是化学工业中精馏是化学工业中应用最广应用最广的分离方法，的分离方法，同时也是同时也是能耗最大能耗最大的单元过程。的单元过程。为什么要实施精馏过程节能？为什么要实施精馏过程节能？Why？分离过程的能耗大约占整个化学工业用分离过程的能耗大约占整个化学工业用能的能的40，而其中，而其中95是精馏过程消耗的。是精馏过程消耗的。1994年，美国年，美国4万多个精馏塔所消耗的万多个精馏塔所消耗的能量相当于每天能量相当于每天190,000m3（120万桶）石万桶）石油，占全国能耗的油，占全国能耗的3。精馏节能具有重要意义精馏节能具有重要意义63

24、要要降降低低分分离离过过程程的的能能耗耗，提提高高其其热热力力学学效效率率，就就应应采采取取措措施施减减小小过过程程的的有有效效能能损损失失。有有效效能能损损失失是是由过程的不可逆性引起的。由过程的不可逆性引起的。64（1）流体流动产生压力降；）流体流动产生压力降；（2）塔塔内内气气相相和和液液相相间间存存在在温温差差，再再沸沸器器和和冷凝器中传热介质和物料之间存在温差；冷凝器中传热介质和物料之间存在温差；（3）气相和液相浓度与平衡浓度存在差异。）气相和液相浓度与平衡浓度存在差异。精馏过程的不可逆性表现在：精馏过程的不可逆性表现在：？提高热力学效率？提高热力学效率65增大塔径增大塔径 1）降低

25、压力降）降低压力降降低液层高度降低液层高度设备投资设备投资塔板效率塔板效率改进方式：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66“可可 逆逆 精精 馏馏”2）减小温差和浓差）减小温差和浓差减小传热和传质推动力减小传热和传质推动力无限多平衡级，无限多中间再沸器和冷凝器无限多平衡级，无限多中间再沸器和冷凝器无实用价值无实用价值67精馏过程节能的途径精馏过程节能的途径单个精馏塔的调优节能单个精馏塔的调优节能精馏系统的综合优化节能精馏系统的综合优化节能精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能68单个精馏塔

26、的调优节能单个精馏塔的调优节能1 1）降低再沸器的传热温差，利用载热体来加热，降低成本；）降低再沸器的传热温差，利用载热体来加热，降低成本；2 2）降低冷凝器的传热温差，回收高温位热量，或利用初级冷凝）降低冷凝器的传热温差，回收高温位热量，或利用初级冷凝器回收热量，再用第二冷凝器冷却出料和回流到最终温度；器回收热量，再用第二冷凝器冷却出料和回流到最终温度；3 3）通过侧线采出回收热量；）通过侧线采出回收热量；4 4）塔盘改造，增加塔板数，减小回流比，改造塔的内部结构）塔盘改造，增加塔板数，减小回流比，改造塔的内部结构（如使用高效填料代替板式塔盘）；（如使用高效填料代替板式塔盘）；5 5）加料状

27、态最佳化；）加料状态最佳化；6 6）降低压力降；）降低压力降；7 7）适宜的进料位置，保证分离纯度并减小回流比；）适宜的进料位置，保证分离纯度并减小回流比；8 8）良好的保温；）良好的保温；9 9）设置中间再沸器和中间冷凝器，使用不同品位的热源和冷源；）设置中间再沸器和中间冷凝器，使用不同品位的热源和冷源；1010）采用多股进料；）采用多股进料；1111）对进料、产品和釜液的显热回收利用。）对进料、产品和釜液的显热回收利用。69精馏系统的综合优化节能精馏系统的综合优化节能1 1）采用最佳分离序列；）采用最佳分离序列；2 2）采用最优热集成精馏序列；）采用最优热集成精馏序列；3 3）采用热泵精馏

28、；）采用热泵精馏；4 4）采用多效精馏流程；）采用多效精馏流程；5 5）采用热耦合精馏。）采用热耦合精馏。70精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能 将整个工艺系统过程中各处的能将整个工艺系统过程中各处的能量统一起来考虑，综合利用，提高整量统一起来考虑，综合利用，提高整个过程的用能效率，达到最大程度的个过程的用能效率，达到最大程度的节省能量。节省能量。717.2.1精馏塔的多股进料和侧线采出精馏塔的多股进料和侧线采出DistillationColumnswithMulti-feedsandMulti-sidestreams72分离对象：分离对象：组分相同，浓度

29、不同的多股料液组分相同，浓度不同的多股料液一、多股进料一、多股进料分离方法：分离方法：多个常规精馏塔分别处理多股料液多个常规精馏塔分别处理多股料液多股料液混合后进入同一精馏塔多股料液混合后进入同一精馏塔多股料液从不同位置进入同一精馏塔多股料液从不同位置进入同一精馏塔73例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物 两塔式两塔式设备费用较高设备费用较高74例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物 进料液混合一塔式进料液混合一塔式两段进料一塔式两段进料一塔式75例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物例：组分相同，浓度不同的两股二元

30、混合物 进料液混合一塔式进料液混合一塔式两段进料一塔式两段进料一塔式操作线更接近平衡线，传质和操作线更接近平衡线，传质和传热推动力减小，热力学效率传热推动力减小，热力学效率提高，但所需塔板数增加。提高，但所需塔板数增加。76 对对于于多多元元混混合合物物的的分分离离，若若其其中中某某一一个个或或某某几几个个组组分分的的含含量量较较少少或或对对组组分分间间的的切切割割要要求求不不是是很很严严格格时时，可可考考虑虑采采用用侧侧线线采采出出的的方方式式代代替替多多个个相相邻邻的的常常规规塔塔，从从而而降降低低基基建建投投资和操作费用。资和操作费用。二、侧线塔二、侧线塔77若若第第一一个个塔塔为为A/

31、BC切切割割塔塔，则则侧侧线线出料位置在进料板之下；出料位置在进料板之下；侧线出料位置的确定侧线出料位置的确定以三元物系（组分以三元物系（组分A、B、C）为例：）为例：若若第第一一个个塔塔为为AB/C切切割割塔塔，则则侧侧线线出料位置在进料板之上。出料位置在进料板之上。78当当侧侧线线出出料料位位置置在在进进料料板板之之上上，主主要要产产品品是是B，且且相相对对挥挥发发度度ACBC时时，侧侧线线出出料料中中B的的最最大大浓浓度度和和A的的最最小小浓浓度度由由进进料料组组成成所所决决定定，与与塔塔顶顶至至侧侧线线板板之之间的板数和回流比无关。间的板数和回流比无关。79(7-25)侧线中侧线中A的

32、最小浓度的最小浓度Glinos估算式估算式当当进进料料A含含量量很很低低，且且 AB1时时，可可获获得得高纯度的侧线产品高纯度的侧线产品B。该该式式可可作作为为制制定定方方案案阶阶段段决决定定是是否否采采用用侧侧线线塔的判据塔的判据。p299【例例7-5】807.2.2热泵精馏热泵精馏HeatPumpDistillation81通通过过外外加加功功将将热热量量自自低低位位传传至至高高位位的的系统称为系统称为热泵系统热泵系统。WhatisHeatPumpSystem?将将温温度度较较低低的的塔塔顶顶蒸蒸汽汽经经过过压压缩缩升升温温后后作作为为塔塔底底再再沸沸器器的的热热源源，称称为为热泵精馏热泵

33、精馏。WhatisHeatPumpSystem?82热泵的形式：热泵的形式：闭式热泵闭式热泵开式热泵开式热泵83 用用外外界界的的工工作作介介质质为为冷冷剂剂，液液态态冷冷剂剂在在冷冷凝凝器器中中蒸蒸发发，使使塔塔顶顶物物料料冷冷凝凝。汽汽化化后后的的冷冷剂剂进进入入压压缩缩机机增增压压，然然后后在在压压缩缩机机出出口口压压力力下下在在再再沸沸器器将将热热量量传传递递给给塔塔釜釜物物料料，本本身身冷冷凝凝成成液液体体，如此循环。如此循环。闭式热泵：闭式热泵：图图7-5 7-5 闭式热泵闭式热泵1 1精馏塔，精馏塔，2 2冷凝器，冷凝器，3 3再沸器，再沸器，4 4压缩机，压缩机，5 5节流阀。

34、节流阀。84开式热泵：开式热泵：用过程本身的物料为工作介质。用过程本身的物料为工作介质。（1）以塔釜物料为工质，在冷凝器汽化，取消再沸器。）以塔釜物料为工质，在冷凝器汽化，取消再沸器。85开式热泵：开式热泵：用过程本身的物料为工作介质。用过程本身的物料为工作介质。（2）以塔顶物料为工质，在再沸器冷凝，取消冷凝器。）以塔顶物料为工质，在再沸器冷凝，取消冷凝器。86 热热泵泵精精馏馏是是靠靠消消耗耗一一定定量量机机械械能能来来提提高高低低温温蒸蒸汽汽的的能能位位而而加加以以利利用用的的，因因此此，消消耗耗单单位位机机械械能能回回收收的的热热量量是是一一项项重重要要指指标标。显显然然，对对于于近近沸

35、沸点点混混合合物物分分离离的的精精馏馏塔塔应应用用热热泵精馏效果会更好。泵精馏效果会更好。由由于于热热泵泵精精馏馏需需要要增增设设压压缩缩机机，又又要要消消耗机械能，所以推广应用受到一定的限制。耗机械能，所以推广应用受到一定的限制。Notes:877.2.3设置中间冷凝器设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏和中间再沸器的精馏Distillationwithmiddle-condenserandmiddle-reboiler88 普普通通精精馏馏塔塔只只在在塔塔顶顶和和塔塔釜釜对对物物料料进进行行冷冷凝凝和和蒸蒸发发。如如果果在在塔塔中中部部增增置置中中间间再再沸沸器器，把把再再沸沸器器加加热热量量

36、分分配配到到塔塔的的下下段段，或或者者增增置置中中间间冷冷凝凝器器，把把冷冷凝凝器器热热负负荷荷分分配配到到塔塔的的上上段段，则则可可应应用用较较为为廉廉价价的的冷冷源源或或者温位较低的热源，达到节能的效果。者温位较低的热源，达到节能的效果。温度是热能品质的度量，即使热负荷在温度是热能品质的度量，即使热负荷在数量上没有变化，但通过调节温度分布，数量上没有变化，但通过调节温度分布，有可能减少过程的不可逆损失。有可能减少过程的不可逆损失。图图7-8二级再沸、二级冷凝精馏塔二级再沸、二级冷凝精馏塔907.2.4精馏过程的热集成精馏过程的热集成Heat-integratedDistillationSy

37、stems91一、多效精馏一、多效精馏Multi-effectDistillation 为为节节约约能能耗耗，加加热热剂剂温温度度最最好好是是略略高高于于塔塔底底温温度，而冷却剂温度略低于塔顶温度。度，而冷却剂温度略低于塔顶温度。而而实实际际情情况况是是，最最方方便便廉廉价价的的冷冷却却剂剂是是水水或或者者空空气气，最最常常用用的的加加热热剂剂是是水水蒸蒸气气，很很难难符符合合上上述述要求，因此，精馏塔额外消耗掉不少有效能。要求，因此，精馏塔额外消耗掉不少有效能。解决此问题的办法之一就是采用解决此问题的办法之一就是采用多效精馏多效精馏。只只要要精精馏馏塔塔底底和和塔塔顶顶的的温温差差比比实实际

38、际可可用用的的加加热热剂和冷却剂间温差小得多就可考虑采用多效精馏。剂和冷却剂间温差小得多就可考虑采用多效精馏。92并流并流逆流逆流平流平流多效精馏的类型：多效精馏的类型：其中以串联的并流装置最为常见。其中以串联的并流装置最为常见。9394（1）投资的限制：）投资的限制：影响多效精馏的因素：影响多效精馏的因素：效数效数塔数塔数塔设备投资塔设备投资效数效数换热器传热温差换热器传热温差传热面积传热面积换热器设备投资换热器设备投资 效数的确定要综合考虑投资费用的增加效数的确定要综合考虑投资费用的增加和运行费用的降低。和运行费用的降低。95（2）操作条件的限制：）操作条件的限制：影响多效精馏的因素：影响

39、多效精馏的因素：高压塔高压塔的压力和温度受系统临界压力和的压力和温度受系统临界压力和温度、热源的最高温度及热敏性物料的温度、热源的最高温度及热敏性物料的耐受温度等的限制；耐受温度等的限制；低压塔低压塔往往要受塔顶冷凝器冷却水温度往往要受塔顶冷凝器冷却水温度的限制。的限制。96 一一般般情情况况下下，多多效效精精馏馏的的效数为效数为两效或三效两效或三效。与单塔精馏相比，两效精馏与单塔精馏相比，两效精馏可可节能节能3040%。Summary97用物流直接传热来提供热量，用物流直接传热来提供热量，省去再沸器和（或）冷凝器，省去再沸器和（或）冷凝器，实现热耦合实现热耦合。二、热偶合精馏二、热偶合精馏T

40、hermallyCoupledDistillation98图图7-12简单精馏塔热耦合示意图简单精馏塔热耦合示意图（按相对挥发度递减顺序）（按相对挥发度递减顺序）99图图7-13简单精馏塔热耦合示意图简单精馏塔热耦合示意图（按相对挥发度递增顺序）（按相对挥发度递增顺序）100 热热耦耦合合精精馏馏在在热热力力学学上上是是最最理理想想的的流流程程结构，即可节省设备投资，又可节省能耗。结构，即可节省设备投资，又可节省能耗。但但是是，至至今今热热耦耦合合精精馏馏并并未未在在工工业业中中获获得得广广泛泛应应用用。这这是是由由于于在在操操作作中中使使主主、副副塔塔之之间间气气液液分分配配保保持持设设计计

41、值值是是较较困困难难的的；分分离离难难度度越越大大，其其对对气气液液分分配配偏偏离离的的灵灵敏敏度度越越大大，操操作作越越难难稳稳定定。因因此此，往往往往只只对对易易分分离离体体系系才建议采用热耦合精馏。才建议采用热耦合精馏。101Summary单个精馏塔的调优节能单个精馏塔的调优节能多股进料和侧线采出多股进料和侧线采出Multi-feedsandMulti-sidestreams热泵精馏热泵精馏HeatPumpDistillation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Middle-condenserandMiddle-reboiler102Summary精馏系统

42、的综合优化节能精馏系统的综合优化节能精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能多效精馏多效精馏Multi-effectDistillation热耦合精馏热耦合精馏ThermallyCoupledDistillation1037.3 分离流程的优化分离流程的优化Separation Process Optimization7.3.1分离方法的选择和分离顺序数分离方法的选择和分离顺序数7.3.2分离序列的确定分离序列的确定1047.3.1分离方法的选择和分离顺序数分离方法的选择和分离顺序数SelectionofFeasibleSeparationOperationsa

43、ndtheNumberofPossibleSeparationSequences105一、分离顺序数一、分离顺序数NumberofPossibleSeparationSequences图图7-15三元混合物简单精馏塔分离三元混合物简单精馏塔分离 (a)相对挥发度递降的顺序相对挥发度递降的顺序(b)相对挥发度递增的顺序相对挥发度递增的顺序106对对于于C个个组组分分的的物物系系，欲欲分分离离成成C个个较较纯纯的的组组分分产产品品，需需要要C-1个个塔塔，可可组组合的流程方案数为：合的流程方案数为：107组分数组分数C塔数塔数分离顺序数分离顺序数SC组分数组分数C塔数塔数顺序数顺序数SC21176

44、13232287429435981430541410948626542111016796表表7-2精馏塔分离塔数和分离顺序数精馏塔分离塔数和分离顺序数！顺序数随着组分数的增加而剧增！顺序数随着组分数的增加而剧增！108对对于于多多于于一一种种分分离离方方法法的的情情况况，则则分离所需总顺序数分离所需总顺序数S可按下式估算：可按下式估算：不同分离方法数不同分离方法数！分离方案数随分离方法数的增加而剧增！分离方案数随分离方法数的增加而剧增！109（1）有有些些情情况况下下，只只有有普普通通精精馏馏塔塔的的流流程程方方案案并并非非是是最最经经济济的的。对对于于不不同同的的产产品品要要求求、料料液液浓

45、浓度度和和分分离离特特性性，往往往往还还需需要要选选用用其其他他方方案案，如如侧侧线线提提馏馏塔塔、侧侧线线精精馏馏塔塔、多多效效精精馏馏塔塔和和热热泵泵精精馏馏塔塔等等复复杂杂塔塔及及特特殊殊精精馏馏塔塔，流流程程方方案案数数将将变得更多。变得更多。Notes：110（2）除除精精馏馏外外，还还有有其其他他分分离离方方法法，如如萃萃取取、吸吸收收、吸吸附附、膜膜分分离离等等也也可可供供选选择择时时，流流程程方方案案数数将将成成倍倍成成倍倍地地增加。增加。Notes：（3）当当采采用用分分离离剂剂时时，往往往往还还要要考考虑虑分分离离剂剂的的回回收收和和循循环环使使用用，因因此此，可可能的分离

46、顺序数将增加更多。能的分离顺序数将增加更多。111首要任务首要任务选择合适的分离方法，用所选分离选择合适的分离方法，用所选分离方法合成分离序列。方法合成分离序列。112二、分离方法的选择二、分离方法的选择SelectionofFeasibleSeparationOperations113一、通过相的加入和创造来进行分离一、通过相的加入和创造来进行分离(PhaseAdditionorCreation)对对于于均均一一单单相相体体系系的的分分离离，往往往往通通过过加加入入ESA或或/和和MSA创创造造或或加加入入第第二二个个不不相相溶溶的的相来实现分离。相来实现分离。部部分分汽汽化化和和冷冷凝凝、

47、闪闪蒸蒸、蒸蒸馏馏、萃萃取取精精馏馏、共共沸沸精精馏馏、吸吸收收、萃萃取取、干干燥燥、蒸蒸发发、结结晶晶、浸取、泡沫分离等。浸取、泡沫分离等。分离方法：第一种分类方法分离方法：第一种分类方法114二、通过障碍物分离二、通过障碍物分离(Barrier)膜膜分分离离（微微滤滤、超超滤滤、纳纳滤滤、反反渗渗透透、气体分离、渗透蒸发和蒸汽渗透、液膜等）。气体分离、渗透蒸发和蒸汽渗透、液膜等）。膜的分离机理：筛分机理（多孔膜）膜的分离机理：筛分机理（多孔膜）溶解扩散机理（致密膜）溶解扩散机理（致密膜）分离方法：第一种分类方法分离方法：第一种分类方法115三、通过固体试剂进行分离三、通过固体试剂进行分离(

48、Solidagent)固固体体质质量量分分离离剂剂（吸吸附附剂剂、离离子子交交换换树树脂脂、色色谱固定相）谱固定相）吸附、再生吸附、再生（变压吸附、变温吸附）、（变压吸附、变温吸附）、分子印迹、离子交换、分子印迹、离子交换、色谱（色谱（凝胶色谱、离子交换色谱、亲和色谱）凝胶色谱、离子交换色谱、亲和色谱）分离方法：第一种分类方法分离方法：第一种分类方法116四、通过外场或梯度四、通过外场或梯度(ExternalFieldorgradient)离心、电解、电渗析、电泳、场流动分级离心、电解、电渗析、电泳、场流动分级（离离心心力力场场、电电场场、电电场场和和膜膜、在在力力场场下下的的层流流动）层流流

49、动）分离方法：第一种分类方法分离方法：第一种分类方法117MainSeparationOperations：（I）Mechanicalseparationtechniques（II）Equilibrium-basedseparationoperations（III）Rate-basedseparationoperations分离方法：第二种分类方法分离方法：第二种分类方法118（I）Mechanicalseparationtechniquesbasedondifferencesin:densitiessizessurfacepropertiesfluiditieselectrostaticch

50、argingmagneticproperties.119MechanicalseparationtechniquesbasedondensitydifferencesSettlingFeed:Liquid+solidoranotherimmiscibleliquidSeparatingagent:GravityProduct:Liquid+solidoranotherimmiscibleliquidPrincipleofseparation:densitydifference120MechanicalseparationtechniquesbasedondensitydifferencesCe