分离过程及设备的效率与节能综合课件(共131页).ppt

1、第六章第六章 别离过程及设备的效率与别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别离过程的最小别离功别离过程的最小别离功 6.36.3别离过程的节能别离过程的节能 6.46.4别离过程系统合成别离过程系统合成 1 1掌握等温别离的最小功的计算方法，了掌握等温别离的最小功的计算方法，了解非等温别离和有效能、净功消耗和热力学解非等温别离和有效能、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掌握简单别离和复杂塔的别离顺序

2、的合掌握简单别离和复杂塔的别离顺序的合成的原那么。成的原那么。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：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料。fLuaVL,雾沫夹带雾沫夹带6.1.

3、.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。PP..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时间一般335 5秒。秒。6.1.2 6.1.2 气液传质设备的效率及

4、影响因素气液传质设备的效率及影响因素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离开该板的汽、液两相到达平衡理论板假定离开该板的汽、液两相到达平衡 理论板上相互接触的汽液两相完全混合，板理论板上相互接触的汽液两相完全混合，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不均匀流动，停留时实际板上汽液两相存在不均匀流动，停留时间有明显差异间有明显差异 实际板存在雾沫夹带、漏液和液相夹带泡沫实际板存在雾沫夹带、漏液和液相夹带泡沫现象。现象。级效率的定义级效率的定义1 1全塔效率全塔效率ETET总板效率，塔效率总板效率，塔效率为完成给定别离任务所需要的理论塔板数为完成给定别离任务所需要的理

5、论塔板数N N与实际塔板数与实际塔板数NactNact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到达的浓度变化与平衡时应到达的浓度变化之比。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

6、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填料塔填料塔传质单元高度传质单元高度OGOGNHZ OLOLNHZ bayyOGyydyN*baxxOLxxdxN*AaKVHGOGAaKLHLOL等板

7、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 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

8、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 MVijijijijiOGEyyyyE,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

9、，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完全不混合完全不混合完全混合完全混合液体局部混合液体局部混合 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 。OGMV

10、EEOGMVEEOGMVEE 不均匀流动，尤其是环流会对效率产生不不均匀流动，尤其是环流会对效率产生不利影响；横向混合能削弱液相不均流动的不利影响；横向混合能削弱液相不均流动的不利影响；塔径加大，纵向不完全混合有利影利影响；塔径加大，纵向不完全混合有利影响减弱，不均匀流动那么趋于加强。响减弱，不均匀流动那么趋于加强。液体流程的平均宽度0Pe1 1/ )(1)(1)(eeePOGmvPePPeEEewfvGEhlLuD18. 0)(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 303 3雾沫夹带

11、雾沫夹带 雾沫夹带为级间混合，降低别离设备的雾沫夹带为级间混合，降低别离设备的别离效果，板效率下降。别离效果，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/EOG

12、OG，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

13、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 大那么相当于汽相溶解度低，大那么相当于汽相溶解度低，KiKi小，液相阻力小，液相阻力大，效率低大，效率低外表张力梯度外表张力梯度 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

14、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OConnellOConnell关系曲线关系曲线( (图图6-86-8经验关联式经验关联式468. 0ln164. 0 xET1x443. 0ln0687. 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

15、；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。08. 025. 014. 007. 0ecgmvRSDE机理模型略机理模型略.由实验装置数据确定板效率由实验装置数据确定板效率当无欲别离物系的气液平衡数据时，到当无欲别离物系的气液平衡数据时，到达别离程度所需的塔板数最好通过实验室达别离程度所需的塔板数最好通过实验室测定。使用称为测定。使用称为Oldershaw塔的玻璃或金塔的玻璃或金属筛板塔，塔径属

16、筛板塔，塔径2550毫米，筛孔毫米，筛孔1毫米，毫米，开孔率开孔率10左右。塔板数任意。在左右。塔板数任意。在201140千帕操作压力范围内，千帕操作压力范围内，Oldershaw塔的塔的效率与塔径在效率与塔径在0.461.2米范围的中间试验米范围的中间试验塔和工业塔的数据一致。塔和工业塔的数据一致。 AIChE AIChE美国化学工程师学会法美国化学工程师学会法, ,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4040606

17、0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，到达预期别离试验中通过调整塔板数和流率，到达预期别离程度；程度； 4 4假设工业塔与假设工业塔与OldershawOldershaw塔在相同液气比下操塔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。.1.4.气液传质设备的选择气液传质设备的选择、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

18、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 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

19、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； 别离有明显热效应的物系宜选用板式别离有明显热效应的物系宜选用板式塔持液量大，便于安装换热装置；塔持液量大，便于安装换热装置； 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。对高粘度的物系的别离，宜选用填料对高粘度的物系的别离，宜选用填料塔粘度高，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

20、，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 间歇操作，填料塔持液量较小，较适宜；间歇操作，填料塔持液量较小，较适宜； 由多个进料口和侧线采出的精馏塔，用板由多个进料口和侧线采出的精馏塔，用板式塔更适宜。式塔更适宜。、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

21、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。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，别离效率低。出现液体分布不

22、均及严重壁流，别离效率低。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 填料的单位别离能力填料的单位别离能力8 108 ppdDdD鲍尔环，矩鞍形填料拉西环填料 别离过程为什么要节能？别离过程为什么要节能？ 别离过程的特征？别离过程的特征？ 多组分别离的多塔排列顺序多组分别离的多塔排列顺序对能耗是否影响对能耗是否影响 ？.别离过程的最小别离功别离过程的最小别离功等温别离最小功等温别离最小功 当别离过程完全可逆时，别离消耗的功当别离过程完全可逆时，别离消耗的功 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 体系只与温度为体系

23、只与温度为T0T0的环境进行可逆的热的环境进行可逆的热交换交换 min0WHSTWid别离过程的最小功别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 出进)ln()ln(,minjijijkikikfZnfZnRTGnW物质别离的难易程度，取决于待别离混合物和物质别离的难易程度，取决于待别离混合物和别离

24、所得产物的组成别离所得产物的组成xixi，yiyi 、温度和压、温度和压力力1 1别离理想气体的混合物别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出进)ln()ln(,min,jijijkikikTyynyynRTW由混合物别离成纯组分由混合物别离成纯组分1,kiy0ln,kiyFiFiFTyyRTnWlnmin,FBFBFAFAFTyyyyRTnW,min,lnln 等温等压别离理想气体耗功有以下规律：等温等压别离理想气体耗功有以下规律： 1 1将等分子气体混合物别离成两个纯组分时将等分子气体混合物别离成两个纯组分时所需最小功要比别离其它混合物所需最小功要所需最小

25、功要比别离其它混合物所需最小功要大。此时得无因次最小功为大。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yAyA，F F，别离成两个纯组分比，别离成两个纯组分比别离成两个非纯组分所需最小功要大，产品纯别离成两个非纯组分所需最小功要大，产品纯度越高，最小功越大。度越高，最小功越大。3)3)理想气体的别离最小功与理想气体的别离最小功与P P和被别离组分间和被别离组分间的相对挥发度无关。的相对挥发度无关。4)4)环境温度较高，所需最小功较大环境温度较高，所需最小功较大例例6-1 设空气中含氧设空气中含氧21体积，假设在体积，假设在25常常压下将空气可逆别离成压下将空气

26、可逆别离成95O2的气氧和的气氧和99N2的的气氮，计算别离气氮，计算别离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计算别离产物计算别离产物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品气氧的量为xkmol，对别离前后的氧气作物，对别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。kmolkJyynyynRTWijijijikikikT4.105979.0ln79.021.0

27、ln21.0298314.899.0ln99.001.0ln01.0787.0298314.85.0ln5.095.0ln95.0213.0298314.8lnln,min,出进计算别离空气为纯N2，纯O2所需最小功可见，别离成非纯产品时所需最小功小于别离成纯组分产品时所需的最小功。kmolkJyyyyRTnWFBFBFAFAFT4 .127379. 0ln79. 021. 0ln21. 0298314. 8lnln,min,2 2别离低压的液体混合物别离低压的液体混合物 iiiixpf0iixz 出进)ln()ln(,minjijijijkikikikxxnxxnRTW别离成纯组分时所需最小

28、功别离成纯组分时所需最小功 FiFiFiFTxxnRTWlnmin, 出进)ln()ln(,min,jijijkikikTxxnxxnRTW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

29、（即 ）最小最小功等于功等于零零。1, 1BA1, 1BA1, 1,FBBFAAxx例例6-26-2证明等温别离二元理想气体混合物为纯组证明等温别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：

30、求导得：AFAFAFAFFTyyyyRTnWln1ln11ln1lnmin, 那么那么1 1yAF=yAF,yAF=yAF,解得解得yAF=0.5.yAF=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 yAFAF， RTnWFTmin,所以所以y yAFAF=0.5=0.5时，时， 有极大值。有极大值。6.2.2 6.2.2 非等温别离和有效能非等温别离和有效能 别离过程所需的最小功，按物系在别别离过程所需的最小功，按物系在别离过程中的

31、有效能的增量变化来表示离过程中的有效能的增量变化来表示 )()(12012SSTHHBSTHWBT0min,0分离iFTTpiiFdTcyHiFTTFiFipiiFpypRdTTcyS)ln(别离成纯组分时别离成纯组分时STHB0净功净功LCHRTTQTTQWWW0011 出入净 由可逆热机将热转变由可逆热机将热转变为功，以确定实际过程为功，以确定实际过程的净功消耗。精馏别离的净功消耗。精馏别离 6.2.3 6.2.3 净功消耗净功消耗 RRTTQW01入CCTTQW01出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假设别离过程是完全可逆的，热力学效率为假设别离过程是完全可

32、逆的，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)只依靠外加能量只依靠外加能量(ESA)(ESA)的别离过程如精馏、的别离过程如精馏、结晶，热力学效率较高；结晶，热力学效率较高；2)2)除参加除参加ESAESA，还需参加，还需参加MSAMSA的别离过程如萃的别离过程如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等热取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等热力学效率较低；力学效率较低；3)3)速率控制的别离过程热力学效率更低。速率控制的别离过程热力学效率更低。 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

33、F精 馏 塔CCRRTTQTTQW0011净 假设进出体系的物料的假设进出体系的物料的焓相近时，近似有焓相近时，近似有QRQRQCQCQ Q， 则则 RCTTTQW110净例例6-2某丙烯某丙烯(A)-丙烷丙烷(B)精馏塔。假设进料为泡点精馏塔。假设进料为泡点进料，进料量进料，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=159.21kmol/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，

34、SW=66.10 kJ/(kmolK)，假设环境温度假设环境温度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时的时的净功消耗；净功消耗；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T0294KCWDRFQWHDHQFHhkJFHQWHDHQFCWDR14.3431191838.174016.2723240152637.303795.1129 .1279321.159hkJS

35、THBDDD96.916469.742949 .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 .377294114.343119181100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

36、 、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3535308K308K则由式则由式6 62525C0CR0RTT1QTT1Q净WkJ/h22.231308293199740329311025净W.别离过程的节能别离过程的节能.3.1.别离过程的热力学分析别离过程的热力学

37、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 精馏过程不可逆的根本原因是三精馏过程不可逆的根本原因是三传的不可逆性。其主要表现于以下几传的不可逆性。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 传热时有一定温差通过一定温度梯度传热时有一定温差通过一定温度梯度的热量传递或不同温度的物流直接混合；的热量传递或不同温度的物流直接混合；3 3 传质过程有浓度差通过一定浓度梯度传质过程有浓度差通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位的物流直接混合；的质量传递或不同化学位的物流直接混合；4 4还可能存在不可逆化学反

38、响。还可能存在不可逆化学反响。 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操作方式；T3 3在较小在较小R R或不同或不同R R设中间再沸器或中间冷设中间再沸器或中间冷凝器下操作，以便降低传热传质的不可逆性凝器下操作，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

39、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 采用双效或多效精馏各塔采用不同压采用双效或多效精馏各塔采用不同压力，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热对原料中各组分沸点差不大的系统采用热泵流程。泵流程。有效能的充分回收及利用有效能的充分回收及利用 采用加强设备的保温及利用物流的局部显热或潜热采用加强设备的保温及利用物流的局部显热或潜热等措施等措施 减少过程的净耗功减少过程的净耗功 改变别离过程操作条件减少过程的净耗功，如严控设计改变别离过程操作条件减少过程的净耗功，如严控

40、设计富裕度，选定最正确富裕度，选定最正确R R .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中间冷凝器和设置设置中间冷凝器和中间再沸器，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，同时可回收或节省高位的能回收或节省高位的能量。当顶低温差较大量。当顶低温差较大时，效果尤佳。时，效果尤佳。假设在中间冷凝器和中假设在中间冷凝器和中间再沸器之间加一热间再沸器之间加一热泵，效率更高。泵，效率更高。.3.3.多效精馏多效精馏 利用假设干压力不同的精馏塔，按压力上下利用假设干压力不同的精馏塔，按压力上下顺序进

41、行组合，使相邻两塔之间将高压塔顶的顺序进行组合，使相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔底的再沸器的加热介质蒸汽作为低压塔底的再沸器的加热介质 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30%-30%-50%50% 但需增加设备投资，但需增加设备投资， 需要更高的控制系需要更高的控制系统。统。 并流型混流型串联型 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

42、 塔FW1W2DS低沸成分高沸成分.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。 解决方法解决方法 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

43、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闭式热泵采用外部致冷剂的热泵闭式热泵DW F精精 馏馏 塔塔(2)(2)采用压缩塔顶蒸汽的热泵开式采用压缩塔顶蒸汽的热泵开式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开式采塔底液体闪蒸的热泵开式B B型热泵型热泵 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

44、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上下温蒸提上下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 有关别离操作的节能经验规那有关别离操作的节能经验规那么么 P202表表6-1、如果进料混合物中不止存在一相，那么首、如果进料混合物中不止存在一相，那么首选采用机械别离选采用机械别离、防止热量、冷量或机械功的损失；采用适、防止热量、冷量或机械功的损失；采用适宜的绝热措施；防止排出大量热的或冷的产品，宜的绝热措施；防止排出大量热的或冷的产品，质量别离剂等等质量别离剂等

45、等、防止作过于平安的设计和或没有必要、防止作过于平安的设计和或没有必要使别离过度的实际操作；对于生产能力变动的使别离过度的实际操作；对于生产能力变动的装置，那么寻求有效调节范围的设计装置，那么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本钱、在过程构成中寻求有效能最大者或本钱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，优先别离掉转移量少的而、在相际转移时，优先别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、尽力减少质量别离剂的流量，只要选择性、尽力减少质量别离剂的流量，只要选择性可以到达要求，优先选择大的别离剂可以到达要求，优先选择大的别离剂、