分离过程的节能优化与集成

1、1传传 质质 分分 离离 过过 程程237.1.3 热力学效率和净功消耗热力学效率和净功消耗4 表征能量被利用的程度有两类效率：表征能量被利用的程度有两类效率：基于热力学第一定律的热效率和基于热基于热力学第一定律的热效率和基于热力学第二定律的热力学效率。力学第二定律的热力学效率。 热效率只反映出过程中能量在数量热效率只反映出过程中能量在数量上被利用的程度，并未反映出能量转换上被利用的程度，并未反映出能量转换过程中能量品位上的变化。过程中能量品位上的变化。 5 热力学效率热力学效率反映了过程中有效反映了过程中有效能被利用的程度，它是能量在数量能被利用的程度，它是能量在数量上和品位上被利用的综合反

2、映，更上和品位上被利用的综合反映，更准确地反映了过程的完善程度。准确地反映了过程的完善程度。热热力学效率又称为有效能效率力学效率又称为有效能效率。6定义：定义： 分离过程中系统有效能的改变与过程分离过程中系统有效能的改变与过程所消耗的净功之比。所消耗的净功之比。 (7-13)分离过程的热力学效率分离过程的热力学效率)/(netsepWB7 通常分离过程所需能量大多通常分离过程所需能量大多是以是以热能热能的形式提供，在这种的形式提供，在这种情况下最好是以过程所消耗的情况下最好是以过程所消耗的净功净功来计算消耗的能量。来计算消耗的能量。 8 要降低分离过程的能耗，提高要降低分离过程的能耗，提高其热

3、力学效率，就应采取措施减小其热力学效率，就应采取措施减小过程的有效能损失。有效能损失是过程的有效能损失。有效能损失是由过程的不可逆性引起的。由过程的不可逆性引起的。irrsepnetSTBW0)/(netsepWB9（1）流体流动产生压力降；）流体流动产生压力降；（2）塔内气相和液相间存在温差，再沸器和）塔内气相和液相间存在温差，再沸器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10增大塔径增大塔径 1）降低

4、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11“可逆精馏可逆精馏” 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12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13单个精馏塔的

5、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）加料状态

6、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。14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；

7、）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。15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。 167.2.1 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Distillation Columns with Multi-feeds and Multi-sidestreams17分离对象：分离对象：组

8、分相同，浓度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18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19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20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

9、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。21 对于多元混合物的分离，若其中某对于多元混合物的分离，若其中某一个或某几个组分的含量较少或对组一个或某几个组分的含量较少或对组分间的切割要求不是很严格时，可考分间的切割要求不是很严格时，可考虑采用虑采用侧线采出侧线采出的方式代替多个相邻的方式代替多个相邻的常规塔，从而降低基建投资和操作的常规塔，从而降低基建投资和操作费用。费用。二、侧线塔二、侧线塔22若第一个塔

10、为若第一个塔为A/BC切割塔，则侧线切割塔，则侧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：若第一个塔为若第一个塔为AB/C切割塔，则侧线切割塔，则侧线出料位置在进料板之上。出料位置在进料板之上。23 当侧线出料位置在进当侧线出料位置在进料板之上，主要产品是料板之上，主要产品是B，且相对挥发度且相对挥发度ACBC时，侧线出料中时，侧线出料中B的最大的最大浓度和浓度和A的最小浓度由进的最小浓度由进料组成所决定，与塔顶料组成所决定，与塔顶至侧线板之间的板数和至侧线板之间的板数和回流比无关。回流比无关。2

11、47.2.2 热泵精馏热泵精馏Heat Pump Distillation 25 通过外加功将热量自低位传至高位的通过外加功将热量自低位传至高位的系统称为系统称为热泵系统热泵系统。What is Heat Pump System? 将温度较低的塔顶蒸将温度较低的塔顶蒸汽经过压缩升温后作为汽经过压缩升温后作为塔底再沸器的热源，称塔底再沸器的热源，称为为热泵精馏热泵精馏。What is Heat Pump System?26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27 用外界的工作介质为用外界的工作介质为冷剂冷剂，液态冷剂在冷凝，液态冷剂在冷凝器中蒸发，使塔顶物料器中蒸发，使塔顶物

12、料冷凝。汽化后的冷剂进冷凝。汽化后的冷剂进入压缩机增压，然后在入压缩机增压，然后在压缩机出口压力下在再压缩机出口压力下在再沸器将热量传递给塔釜沸器将热量传递给塔釜物料，本身冷凝成液体，物料，本身冷凝成液体，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。节流阀。28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。29开式热泵：开式热泵： 用过

13、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。30 热泵精馏是靠消耗一定量机械能来提高热泵精馏是靠消耗一定量机械能来提高低温蒸汽的能位而加以利用的，因此，消耗低温蒸汽的能位而加以利用的，因此，消耗单位机械能回收的热量是一项重要指标。显单位机械能回收的热量是一项重要指标。显然，对于近沸点混合物分离的精馏塔应用热然，对于近沸点混合物分离的精馏塔应用热泵精馏效果会更好。泵精馏效果会更好。 由于热泵精馏需要增设压缩机，又要消由于热泵精馏需要增设压缩机，又要消耗机械能，所以推广应用受到一定的限制耗机械能

14、，所以推广应用受到一定的限制。Notes:317.2.3 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Distillation with middle-condenser and middle-reboiler 32 普通精馏塔只在塔顶和塔釜对物料进行普通精馏塔只在塔顶和塔釜对物料进行冷凝和蒸发。如果冷凝和蒸发。如果在塔中部增置中间再沸在塔中部增置中间再沸器，把再沸器加热量分配到塔的下段，或器，把再沸器加热量分配到塔的下段，或者增置中间冷凝器，把冷凝器热负荷分配者增置中间冷凝器，把冷凝器热负荷分配到塔的上段，则可应用较为廉价的冷源或到塔的上段，则可应用较为廉价的冷源或者温位

15、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，但通过数量上没有变化，但通过调节温度分布调节温度分布，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347.2.4 精馏过程的热集成精馏过程的热集成Heat-integrated Distillation Systems 35一、多效精馏一、多效精馏 Multi-effect Distillation 为节约能耗，为节约能耗，加热剂温度最好是略高于塔底温加热剂温度最好是略高于塔底

16、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。 而实际情况是，最方便廉价的冷却剂是而实际情况是，最方便廉价的冷却剂是水水或者或者空气空气，最常用的加热剂是，最常用的加热剂是水蒸气水蒸气，很难符合上述，很难符合上述要求，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。 只要精馏塔底和塔顶的温差比实际可用的加只要精馏塔底和塔顶的温差比实际可用的加热剂和冷却剂间温差小得多就可考虑采用多效热剂和冷却剂间温差小得多就可考虑采用多效精馏。精馏。36并流并流逆流逆流平流平流多效精馏的类型：

17、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。3738（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。 39（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

18、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。40 一般情况下，多效精馏的一般情况下，多效精馏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%。Summary41 用物流直接传热来提供热用物流直接传热来提供热量，省去再沸器和（或）冷量，省去再沸器和（或）冷凝器，实现热耦合凝器，实现热耦合 。二、热偶合精馏二、热偶合精馏Thermally Coupled Distillation 42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）

19、（按相对挥发度递减顺序）43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）44 热耦合精馏热耦合精馏在热力学上是最理想的流程在热力学上是最理想的流程结构，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。 但是，至今热耦合精馏但是，至今热耦合精馏并未在工业中获并未在工业中获得广泛应用得广泛应用。这是由于在操作中使主、副塔。这是由于在操作中使主、副塔之间气液分配保持设计值是较困难的；分离之间气液分配保持设计值是较困难的；分离难度越大，其对气液分配偏离的灵敏度越大，难度越大，其对气液分配偏离的灵敏度越大，操作越难稳定。

20、因此，往往只对易分离体系操作越难稳定。因此，往往只对易分离体系才建议采用热耦合精馏。才建议采用热耦合精馏。45Summary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-feeds and Multi-sidestreams热泵精馏热泵精馏Heat Pump Distillation 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-condenser and Middle-reboiler46Summary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多

21、效精馏多效精馏 Multi-effect Distillation热耦合精馏热耦合精馏Thermally Coupled Distillation 477.3 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487.3.1 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Selection of Feasible Separation Operations and the Number of Possible Separation Sequenc

22、es 49一、分离顺序数一、分离顺序数Number of Possible Separation Sequences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50（1）有些情况下，只有普通精馏塔的）有些情况下，只有普通精馏塔的流程方案并非是最经济的。对于不同的流程方案并非是最经济的。对于不同的产品要求、料液浓度和分离特性产品要求、料液浓度和分离特性，往往，往往还需要选用其他方案，如侧线提馏塔、还需要选用其他方案，如侧线提馏塔、侧线精馏塔、多效精馏塔和热泵精馏塔侧线精馏塔、多效

23、精馏塔和热泵精馏塔等复杂塔及特殊精馏塔，流程方案数将等复杂塔及特殊精馏塔，流程方案数将变得更多。变得更多。Notes：51（2）除精馏外，还有其他分离方法，）除精馏外，还有其他分离方法，如萃取、吸收、吸附、膜分离等也可如萃取、吸收、吸附、膜分离等也可供选择时，流程方案数将成倍成倍地供选择时，流程方案数将成倍成倍地增加。增加。Notes：（3）当采用分离剂时，往往还要考虑）当采用分离剂时，往往还要考虑分离剂的回收和循环使用，因此，可分离剂的回收和循环使用，因此，可能的分离顺序数将增加更多。能的分离顺序数将增加更多。52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

24、法合成分离序列。方法合成分离序列。53二、分离方法的选择二、分离方法的选择Selection of Feasible Separation Operations54一、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 (Phase Addition or Creation) 对于均一单相体系的分离，往往通过加对于均一单相体系的分离，往往通过加入入ESA或或/和和MSA创造或加入第二个不相溶创造或加入第二个不相溶的相来实现分离。的相来实现分离。 部分汽化和冷凝、闪蒸、蒸馏、萃取精部分汽化和冷凝、闪蒸、蒸馏、萃取精馏、共沸精馏、吸收、萃取、干燥、蒸发馏、共沸精馏、吸收、萃取、干燥、蒸发

25、、结晶、浸取、泡沫分离等。、结晶、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55二、通过障碍物分离二、通过障碍物分离 (Barrier) 膜膜分离分离（微滤、超滤、纳滤、反渗透、气（微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离、渗透蒸发和蒸汽渗透、液膜等）。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56三、通过固体试剂进行分离三、通过固体试剂进行分离 (Solid agent)固体质量分离剂固体质量分离剂（吸附剂、离子交换树脂、（

26、吸附剂、离子交换树脂、色谱固定相）色谱固定相）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57四、通过外场或梯度四、通过外场或梯度 (External Field or gradient)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（离心力场、电场、电场和膜、在力场下的（离心力场、电场、电场和膜、在力场下的层流流动）层流流动）分离方法：第一种分类方法分离方法：第一种分类方法58

27、精馏是一个使用精馏是一个使用能量分离剂能量分离剂的过程；的过程；操作方便，技术、理论和应用均成熟；操作方便，技术、理论和应用均成熟；适合于不同规模尤其是大规模分离；适合于不同规模尤其是大规模分离；通常需能位等级很低的分离剂即可。通常需能位等级很低的分离剂即可。 精馏是化工过程中最为常用的分离过程精馏是化工过程中最为常用的分离过程59Summary1. Almost all the industrial chemical processes include equipment for separating chemicals contained in the process feed(s) an

28、d/or produced in reactors within the process. 几乎所有的化工过程都包含着用以分离原料和产品的分几乎所有的化工过程都包含着用以分离原料和产品的分离设备。离设备。60Summary2. More than 30 different separation operations are commercially important. 30多种的分离过程已经工业化。多种的分离过程已经工业化。61Summary3. The extent of separation achievable by a particular separation operation

29、depends on exploitation of the differences in certain properties of the species. 一个特定分离过程的分离程度取决于对待分离组分之间一个特定分离过程的分离程度取决于对待分离组分之间性质（分子性质、热力学性质、传递性质）差别的开发性质（分子性质、热力学性质、传递性质）差别的开发程度。程度。62Summary4. The more widely used separation operations involve the transfer of species between two phases, one of whi

30、ch is created by energy transfer or the reduction of pressure, or by introduction as a MSA. 应用最广泛的分离过程是相平衡分离过程，通过应用最广泛的分离过程是相平衡分离过程，通过能量分离能量分离剂或质量分离剂剂或质量分离剂产生两相体系。产生两相体系。63Summary5. Less commonly used separation operations are based on the use of a barrier, a solid agent, or a force field to cause s

31、pecies being separated to diffuse at different rates and/or to be selectively absorbed or adsorbed. 应用相对较少的分离过程是引入应用相对较少的分离过程是引入障碍物、固体分离剂、外障碍物、固体分离剂、外场场的分离过程。的分离过程。64Summary6. For a sequence, system, or train of separators, overall component recoveies and product purities are of prime importance and

32、 are related by material balances to the individual split ratio values for the separators in the system. 分离操作依据分离操作依据质量平衡质量平衡（物料平衡、物料衡算）；组分的（物料平衡、物料衡算）；组分的回收率或产品纯度回收率或产品纯度，即组分的分离程度通常用分离因子来，即组分的分离程度通常用分离因子来描述。描述。65Summary7. Some separation operations, such as absorption, are capable of only a specifi

33、ed degree of separation for a single species. Other separation operations, such as distillation, can effect a sharp split between two so-called key components. 某些分离操作（如吸收）只能规定一个组分的分离程度，某些分离操作（如吸收）只能规定一个组分的分离程度，而另一些分离操作（如精馏）则可规定而另一些分离操作（如精馏）则可规定两个关键组分的分两个关键组分的分离程度离程度。66Summary8. For given feed(s) and

34、 product specifications, the best separation process must frequently be selected from among a number of feasible candidates. The cost of recovering and purifying a chemical depends on its concentration in the feed mixture. The extent of industrial use of a separation operation depends on the technol

35、ogical maturity of the operation. 分离过程的成本主要取决于分离过程的成本主要取决于组分在原料中的含量组分在原料中的含量，其工业，其工业应用程度主要取决于技术成熟度。应用程度主要取决于技术成熟度。677.3.2 分离序列的确定分离序列的确定Determination of Separation Sequence68探试合成法探试合成法调优合成法调优合成法最优化算法最优化算法分离序列的确定分离序列的确定需要采用非线性混合整数规划需要采用非线性混合整数规划的算法进行严格计算，计算工的算法进行严格计算，计算工作量大，对组分数较多的分离作量大，对组分数较多的分离问题尚无

36、法确定。问题尚无法确定。69根据探试规则合成分离序列的方法。根据探试规则合成分离序列的方法。一、探试合成法一、探试合成法 Trial Method探试规则是根据多年积累的经验和对过程的探试规则是根据多年积累的经验和对过程的热力学性质进行半定量分析所得的一些结论。热力学性质进行半定量分析所得的一些结论。探试法能迅速得出一个或少数几个较优方案。探试法能迅速得出一个或少数几个较优方案。探试规则仅适用于简单清晰切割塔，即只探试规则仅适用于简单清晰切割塔，即只有一个进料，两个出料，进料组分只出现有一个进料，两个出料，进料组分只出现在一个出料中的精馏塔。在一个出料中的精馏塔。70 不同的流程往往有各自不同

37、的优缺点，不同的流程往往有各自不同的优缺点，这些优缺点因不同情况而异，因此，这些优缺点因不同情况而异，因此，分离分离方案的取舍不仅取决于每个塔系本身能耗方案的取舍不仅取决于每个塔系本身能耗的高低，而且还取决于不同分离流程所引的高低，而且还取决于不同分离流程所引起的其他工艺部分能耗的变化起的其他工艺部分能耗的变化。分离流程。分离流程的最终确定必须结合过程特点对全系统进的最终确定必须结合过程特点对全系统进行分析和计算，得到全面而正确的结论。行分析和计算，得到全面而正确的结论。Note：71一、调优合成法一、调优合成法 Optimization Method 以某个初始的流程为基础，经过一系列以某个

38、初始的流程为基础，经过一系列修正而合成接近最优系统的方法。修正而合成接近最优系统的方法。具体步骤：具体步骤： 利用已有流程或根据探试规则确定初步流程；利用已有流程或根据探试规则确定初步流程； 根据调优规则开发当前流程所允许的结构变化；根据调优规则开发当前流程所允许的结构变化； 对得到的各种结构变化进行分析，确定替代方对得到的各种结构变化进行分析，确定替代方 案，并选择其中最优的方案作为改进方案；案，并选择其中最优的方案作为改进方案； 以改进的方案为基础，再进行分析，作进一步以改进的方案为基础，再进行分析，作进一步 的改进，如此反复进行直到不再改动为止。的改进，如此反复进行直到不再改动为止。72

39、 有效性：有效性： 根据调优规则所产生的所有分离序列都根据调优规则所产生的所有分离序列都 应当是可行的；应当是可行的；调优规则，应当具有下列特性：调优规则，应当具有下列特性： 完备性：完备性： 从任意初始流程开始，反复应用调优规则从任意初始流程开始，反复应用调优规则 能产生所有可能的流程；能产生所有可能的流程； 直观合理性：直观合理性： 根据调优规则所产生的流程与当前进行根据调优规则所产生的流程与当前进行 调优的流程没有显著的区别。调优的流程没有显著的区别。73选择适宜的最优的分离方法时应考虑选择适宜的最优的分离方法时应考虑： Summary（1）可行性）可行性（2）产品的价值）产品的价值（3

40、）产品的损坏）产品的损坏（4）过程的优缺点）过程的优缺点（5）分子性质）分子性质（6）经验）经验在分离方法和设备在分离方法和设备选定后，操作中的选定后，操作中的波动和应对措施也波动和应对措施也是非常重要的。是非常重要的。747.4 分离流程的集成分离流程的集成Separation Process Integration7.4.1 反应精馏反应精馏 Reactive Distillation7.4.2-1 精馏与萃取的集成精馏与萃取的集成7.4.2-2 精馏与膜分离过程的集成精馏与膜分离过程的集成 75 化学吸收化学吸收 化学萃取化学萃取 反应精馏反应精馏 膜反应器膜反应器 控制释放控制释放 膜

41、生物传感器膜生物传感器分离过程与反应过程的耦合分离过程与反应过程的耦合76 共沸精馏萃取共沸精馏萃取 共沸精馏萃取精馏共沸精馏萃取精馏 渗透蒸发精馏渗透蒸发精馏 渗透蒸发吸附渗透蒸发吸附 渗透蒸发吸收渗透蒸发吸收 蒸汽渗透精馏蒸汽渗透精馏分离过程与分离过程的耦合分离过程与分离过程的耦合777.4.1 反应精馏反应精馏Reactive Distillation787.4.1 反应精馏反应精馏在反应同时，用精馏方法分离产物的过程。在反应同时，用精馏方法分离产物的过程。类型：类型： （1）利用精馏促进反应；）利用精馏促进反应； （2）通过反应来促进精馏分离。）通过反应来促进精馏分离。催化精馏：催化精

42、馏： 如果反应是在固体催化剂上进行，将催化剂如果反应是在固体催化剂上进行，将催化剂填充于精馏塔中，它既起加速反应的催化作用，填充于精馏塔中，它既起加速反应的催化作用，又作为填料起分离作用，这种反应精馏称为催又作为填料起分离作用，这种反应精馏称为催化反应精馏或催化精馏。化反应精馏或催化精馏。797.4.1 反应精馏反应精馏既适合于可逆反应，也适合于连串反应。既适合于可逆反应，也适合于连串反应。对于对于可逆反应可逆反应： 利用产物和反应物挥发度的差异，精馏使产物离开反应区，利用产物和反应物挥发度的差异，精馏使产物离开反应区，从而破坏原有的化学平衡，使反应向生成产物的方向移动，从而破坏原有的化学平衡

43、，使反应向生成产物的方向移动，在一定程度上变可逆反应为不可逆，提高转化率，同时得到在一定程度上变可逆反应为不可逆，提高转化率，同时得到高纯度产物。高纯度产物。 例如：乙醇和醋酸的酯化反应例如：乙醇和醋酸的酯化反应CH3COOH + C2H5OHCH3COOC2H5 + H2O 酯、水和醇三元共沸物的沸点低于乙醇与醋酸的沸点，且酯、水和醇三元共沸物的沸点低于乙醇与醋酸的沸点，且共沸物中含醋酸乙酯共沸物中含醋酸乙酯82.6wt.%。将生成的醋酸乙酯不断从塔。将生成的醋酸乙酯不断从塔顶蒸出，提高反应转化率。顶蒸出，提高反应转化率。807.4.1 反应精馏反应精馏对于对于连串反应连串反应： ARS S

44、为目的产物为目的产物 一般两步反应的温度和反应速度均不同，传统方法是一般两步反应的温度和反应速度均不同，传统方法是将两个反应分别在两个反应器中进行。反应精馏能使两将两个反应分别在两个反应器中进行。反应精馏能使两步反应在同一塔设备的两个反应区进行，利用精馏作用步反应在同一塔设备的两个反应区进行，利用精馏作用提供合适的浓度和温度分布，缩短反应时间，提高收率提供合适的浓度和温度分布，缩短反应时间，提高收率和产品纯度。和产品纯度。 R为目的产物为目的产物 利用反应精馏的分离作用把产物利用反应精馏的分离作用把产物R尽快移出反应区，尽快移出反应区，从而避免副反应。从而避免副反应。81反应精馏工艺条件的影响

45、反应精馏工艺条件的影响1. 进料位置进料位置 加料位置决定了精馏段、反应段和提馏段的关系，对塔加料位置决定了精馏段、反应段和提馏段的关系，对塔内浓度分布有强烈的影响。内浓度分布有强烈的影响。 为保证各反应物与催化剂充分接触和有足够的反应停留为保证各反应物与催化剂充分接触和有足够的反应停留时间，通常，挥发度大的反应物在靠近塔的下部进料，反时间，通常，挥发度大的反应物在靠近塔的下部进料，反之挥发度小的反应物及催化剂在塔的上部进料。之挥发度小的反应物及催化剂在塔的上部进料。 进料位置的确定还要保证有足够长度的反应段，达到充进料位置的确定还要保证有足够长度的反应段，达到充分反应和分离产物的双重目的。故

46、确定反应精馏塔进料位分反应和分离产物的双重目的。故确定反应精馏塔进料位置的原则是：保证反应物与催化剂充分接触；保证一置的原则是：保证反应物与催化剂充分接触；保证一定的反应停留时间；保证达到预期的产物的分离。定的反应停留时间；保证达到预期的产物的分离。82反应精馏工艺条件的影响反应精馏工艺条件的影响2. 回流比回流比 改变回流比使塔板上液相组成发生变化而改变回流比使塔板上液相组成发生变化而影响反应，同时也改变了液体与催化剂的表影响反应，同时也改变了液体与催化剂的表面接触状况和液体在反应段的停留时间。面接触状况和液体在反应段的停留时间。 反应精馏回流比的设计计算比普通精馏计反应精馏回流比的设计计算

47、比普通精馏计算要复杂得多，而且对平衡反应和反应速率算要复杂得多，而且对平衡反应和反应速率控制的反应体系不同。对一定的分离任务，控制的反应体系不同。对一定的分离任务，回流比一般只能在一定范围内变化。回流比一般只能在一定范围内变化。83反应精馏工艺条件的影响反应精馏工艺条件的影响3. 催化剂的充填方式催化剂的充填方式满足的条件：满足的条件：催化剂床层具有足够的自由空间，提供气液相催化剂床层具有足够的自由空间，提供气液相的流动通道，以进行液相反应和气液传质，并满的流动通道，以进行液相反应和气液传质，并满足设计允许的塔板压力降；足设计允许的塔板压力降；具有足够的表面积进行催化反应；具有足够的表面积进行

48、催化反应；允许催化剂颗粒的膨胀和收缩，而不损伤催化允许催化剂颗粒的膨胀和收缩，而不损伤催化剂；剂；结构简单便于更换。结构简单便于更换。 84反应精馏的局限性反应精馏的局限性 反应精馏仅适用于反应过程和反应精馏仅适用于反应过程和分离过程可在同一温度范围内进分离过程可在同一温度范围内进行的工艺，即在催化剂具有较高行的工艺，即在催化剂具有较高活性的温度范围内，反应物系能活性的温度范围内，反应物系能够进行精馏分离。够进行精馏分离。85反应精馏的局限性反应精馏的局限性 根据反应物和产物的相对挥发度大根据反应物和产物的相对挥发度大小，反应体系可分为四种类型：小，反应体系可分为四种类型： 产物产物或或 反应

49、物反应物； 反应物反应物介于介于 产物产物之间；之间； 产物产物介于介于 反应物反应物之间之间；(I) 产物产物 反应物反应物可采用可采用反应精馏反应精馏867.4.2 精馏与其它分离过程的集成精馏与其它分离过程的集成 Integration of Distillation and Other Separation Operations87一、精馏与萃取的集成一、精馏与萃取的集成Integration of Distillation and Extraction881、萃取、萃取-共沸精馏共沸精馏Extraction-Azeotropic Distillation选择一种溶剂，它选择一种溶剂，

50、它既能作为萃取过既能作为萃取过程的萃取剂，又是共沸精馏的共沸程的萃取剂，又是共沸精馏的共沸剂，剂，从而避免再加入新的溶剂。从而避免再加入新的溶剂。 89例：萃取例：萃取-共沸精馏分离醋酸共沸精馏分离醋酸-水溶液水溶液 选用选用醋酸乙酯醋酸乙酯作为醋酸的萃取作为醋酸的萃取溶剂，且其与水形成非均相共沸溶剂，且其与水形成非均相共沸物，可将醋酸的浓缩与溶剂醋酸物，可将醋酸的浓缩与溶剂醋酸乙酯的再生结合在一个共沸精馏乙酯的再生结合在一个共沸精馏塔内进行。塔内进行。 90例：萃取例：萃取-共沸精馏分离醋酸共沸精馏分离醋酸-水溶液水溶液Acetic acid+H2OEAEAEAEA+acid+H+acid+

51、H2 2O OH H2 2O+O+EAEAAcetic acidH2O酯相酯相水相水相912、加盐萃取、加盐萃取-共沸精馏共沸精馏Salt Extraction-Azeotropic Distillation 利用利用无机盐对有机溶剂无机盐对有机溶剂“盐析盐析”效应效应提高萃取剂的分配系数和选提高萃取剂的分配系数和选择性，扩大不互溶区域，提高萃择性，扩大不互溶区域，提高萃取相产物的浓度，从而达到节能取相产物的浓度，从而达到节能的效果。的效果。92例：加盐萃取例：加盐萃取-共沸精馏分离醋酸共沸精馏分离醋酸-水溶液水溶液 选择萃取能力和共沸带水能力适中选择萃取能力和共沸带水能力适中的的醋酸异丙酯醋

52、酸异丙酯作溶剂，加入作溶剂，加入NaCl、Na2SO4、MgCl2等盐后，醋酸的分配系等盐后，醋酸的分配系数提高，同时三元相图中两相区的范围数提高，同时三元相图中两相区的范围和萃取液最高浓度增大；且在相当大范和萃取液最高浓度增大；且在相当大范围内萃余相中不含溶剂。围内萃余相中不含溶剂。 93表表7-5 单位醋酸能耗与原料浓度关系单位醋酸能耗与原料浓度关系原料醋酸浓度原料醋酸浓度wt醋酸的热量消耗，醋酸的热量消耗，kJ/kg共沸精馏共沸精馏萃取萃取-共沸精馏共沸精馏加盐萃取加盐萃取-共沸精馏共沸精馏 706182.9986463.987609629.8168895.317002.09450144

53、55.198912.4797693.8864021693.478938.8619719.8493033752.938982.41210768.8421%27%94二、精馏与膜分离的集成二、精馏与膜分离的集成Integration of Distillation and Membrane Process951、精馏、精馏-渗透汽化渗透汽化 Distillation-Pervaporation分离对象：分离对象：共沸物或近沸物、且两组分含量接近。共沸物或近沸物、且两组分含量接近。MixtureMembranebenzene/cyclohexane亲苯膜亲苯膜dimethyl carbonate (DMC)/methanol亲甲醇膜亲甲醇膜ethanol/water亲水膜亲水膜ethyl tert-butyl ether(ETBE)/ethanol 亲乙醇膜；亲水膜亲乙醇膜；亲水膜isopropanol/water亲水膜亲水膜methyl isobutyl ketone;MIBK/water亲水膜亲水膜methyl tert-butyl ether(MTBE)/methanol亲甲醇膜亲甲醇膜96例例1