化工分离过程节能技术

1、化工分离过程节能技术第1页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.1 分离过程节能的基本概念混合物的分离必然消耗外能，能耗是大规模分离过程的关键指标，因此，确定混合物分离的最小能耗，了解影响能耗的因素，寻求接近最小能耗的分离过程。节省能耗的措施：首先是选取适宜的分离方法，这是节能的关键步骤；其次是分离过程在总体工艺流程中进行热集成；再次是复杂混合物分离的适宜流程安排；最后是各具体分离操作的适宜操作条件和参数的确定，以及设备结构和尺寸的优化等。第2页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二热力学第二定律：完成同一变化的任何可逆过程所需功相等。有效能（熵）衡算连续稳

2、定分离系统：进出系统物流变量： n，zi，H，S（熵），Q 系统对环境作功： W第3页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二分离最小功是分离过程必须消耗的最小功的下限，只有当分离过程完全可逆时，分离消耗的功才是分离最小功。5.1.2 分离最小功第4页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二第5页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二）（95-物一、分离理想气体混合)85(-第6页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二二、分离低压下液体混合物 第7页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.1.3 热力学效率热力学效率

3、是用来衡量有效能的利用率。分离过程热力学效率的定义为：分离最小功与实际分离过程的有效能消耗（净功耗）之比值。 B分离 / W净Wmin、To=B分离 该式表明，稳态过程最小分离功等于物流的有效能增量。第8页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二如图精馏过程的净耗功为：QC TCQR TRDW F精 馏 塔 若进出体系的物料的焓相近时，近似有QRQCQ， 则 第9页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二通常: 1)只依靠外加能量(ESA)的分离过程（如精馏、结晶），热力学效率较高；2)除加入ESA，还需加入MSA的分离过程（如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等

4、）热力学效率较低；3)速率控制的分离过程热力学效率更低。 第10页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二分离过程中有效能损失的主要形式(1)由于流体流动阻力造成的有效能损失Dp(2)节流膨胀过程的有效能损失(3)由于热交换过程中推动力温差存在造成的有效能损失DT(4)由于非平衡的两项物流在传质设备中混合和接触传质造成的有效能损失Dmt第11页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二使净功降低的方法： 降低压差 减少温差 减少浓度与平衡浓度差1）塔设备 若N越多，使P，不可逆性越大 可使：气速，液层高度；使P 但是：气速，生产能力不变时D ，投资费 液层高度，板效率

5、改进方式：1. 选择合适的塔径、液层高度 2. 改板式塔为高效填料塔第12页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二2）再沸器、冷凝器 若传热温差小，不可逆性减小但是：传热面积，设备费用 液层高度，板效率改进方式：1. 采用高效换热器 2. 改进操作方式3）传热推动力、传质推动力精馏操作：Ln+1，Vn-1进入n板， 对Vn，Ln在 n 板温度和浓度相互不平衡第13页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二改进方式：1. 传热推动力 T=（Tn-1Tn） 2.传质推动力 y=（KnXn,iyn-1,i） 即：y-x图中，操作线向平衡线靠近 T y RRmyAXAXA

6、yAR=RmN= 换热器台塔径： 中间大，两头小XAyA可逆精馏操作线与平衡线重合XA yA 分段精馏增加两个换热器返回第14页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.2 精馏节能技术除了比较明显的节能措施外，选择适宜回流比、进料热状态以及操作压力等，都是重要的精馏节能措施。(1) 最适宜回流比 一方面，直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定了精馏分离的净功效，因此，大体上确定了操作费用。另一方面，还与塔设备的投资密切相关： 在Rm附近， R，设备费下降；在较高R处， R，设备费增大； 适宜回流比：R=(1.2-1.3)Rm第15页，共88页，2022年，5月20日，0点27分

7、，星期二5.2 精馏节能技术(2) 最佳进料热状态高温精馏时（塔顶釜温度高于环境温度） ，当D/F较大又有适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以汽相或汽液混合物进料为宜；当 D/F较小时，尽量采用较高q，即以液相进料为宜；低温精馏时，无论D/F多大，均采用较高的q值，即以液体进料为宜；中等温度精馏，应进行经济比较，确定最佳值。 第16页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.2 精馏节能技术(3) 中间冷凝器和中间再沸器如能在塔中部设置中间冷凝器，就可以采用较高温度的冷却剂。如在塔中部设置中间再沸器，对于高温塔，可应用较低温位的加热剂。对于精馏，使操作线向平衡

8、线靠拢，提高塔内分离过程的可逆程度。第17页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.2 精馏节能技术第18页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.2 精馏节能技术(4) 多效精馏多效精馏原理类似于多效蒸发，即利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序给与组合，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预热介质。从而使该分离系统能耗下降。第19页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.2 精馏节能技术第20页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.2 精馏节能技术(5) 热泵精馏将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底

9、再沸器的热源，称为热泵精馏。有两种形式的热泵流程 ；热泵精馏是消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用的。因此消耗单位机械能能回收的热量是一项重要经济指标，称为性能系数，常记为C.O.P.。显然，对于沸点差小的混合物分离的精馏塔应用热泵精馏效果会更好。 第21页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.2 精馏节能技术(6) SRV精馏具有附加回流和蒸发的精馏简称；由综合中间再沸，中间冷凝和热泵精馏技术发展而成。 第22页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二一、分离顺序数 将混合物ABCDE (按挥发度降低排列）分离为纯组分。简单分离顺序的合成ABAB

10、二元：一个塔，一种方案三元：ABCABCABABCABCBC二个塔，二种方案第23页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二四元：顺序流程三个塔，五种方案ABCDABCDBCCDD按相对挥发度递减采出ABCDAABCBCABD按相对挥发度递增采出AABCDABCBCBCDABCDABCDBCDBCAABCDABBCCDD按相对挥发度交错采出的逆序流程第24页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.3分离顺序的选择1、首选分离方法为能量分离剂的方法（如普通精 馏），其次选用是使用分离剂的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。因为后者须增设质量分离剂的回收设备。但关键

11、组分的相对挥发度小于1.05时，普通精馏在经济上不合算。2、易分离的组分先分若有A、B、C、D四组分，其含量相差不大。第25页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二5.3分离顺序的选择3、易挥发组分先分，即按料液中各组分的挥发度递减的次序从塔顶蒸出，可减少再沸器与全凝器的负荷。 4、尽可能对分（料液的等摩尔分割） 当DB时，塔主体可逆性增大，能耗可以节省。5、量多的组分先分含量最多的组分分离后，避免了该组分在后面塔中的多次蒸发、冷凝，减少了后继塔的负荷，当然比较经济。第26页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6、分离要求高和最困难分离的组分后分 由于高纯度分

12、离的塔要求很多的板数，即塔较高，如还有其他非关键组分存在，塔中汽、液相流率将增大，要用较大的塔径，使投资增加。7、有特殊组分的要先分易腐蚀的组分、热敏性组分 5.3分离顺序的选择第27页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二例6-2证明等温分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料的情况。证明：由计算此情况下最小功公式610对二元物系有：yBF=1-yAF,将之代入上式得第28页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二上式两边对yAF求导得： 则1yAF=yAF,解得yAF=0.5.令第29页，共88页，2022年，5月20日，0点2

13、7分，星期二 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。当yAF0.5， 所以yAF=0.5时， 有极大值。第30页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二例6-2某丙烯(A)-丙烷(B)精馏塔。若进料为泡点进料，进料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmolK)，塔顶馏出液D=159.21kmol/h，HD=12793.9kJ/kmol，SD=74.69 kJ/(kmolK)，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，SW=66.10 kJ/(kmolK)，假设环境温度T02

14、94K。计算再沸器负荷(冷凝器负荷QC=32401526kJ/h给定)；有效能变化；当再沸器加热剂温度TR=377.6K，冷凝器冷却剂温度TC=305.4K时的净功消耗；热力学效率。第31页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二解：作全塔热量衡算： 己知T0294K第32页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二净功消耗热力学效率第33页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二例 苯甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液的温度分别为92 、82 和108 ，设环境温度为20，塔顶冷凝器的热负荷为997kW（用水冷却），塔釜再沸器热负荷为1025kw（用1

15、30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35（308K）则由式625第34页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二例6-3将下列混合物分离成较纯的单组分物流，进料组成如下表，其中组分E具有毒性，试用有序试探法选出一种最佳简单分离顺序。 组 分进料摩尔分率(kmol/h)相对挥发度要求产品的浓度（mol） A 10 3.58 含A94% B 10 2.17 含B94% C 10 1.86 含C94% D 15 1.00 含D94% E 30 0.412 含E94%第35页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二解：根据S1规则和C1规则， E

16、为有毒气体且含量最多，应首先将其分离，所以第一步应分离组分E； B、C组分间相对挥发度最小，相对最难分离，根据S2规则，B、C组分最后分离； A为最易分离的物体，所以第二步应分离组分A。第36页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二具体分离顺序 第37页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6.3.分离过程的节能6.3.1.分离过程的热力学分析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传的不可逆性。其主要表现于以下几方面： 第38页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二（1）流体流动时有 （通过一定压力梯度的动量传递）；（2） 传热

17、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）；（3） 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）；（4）还可能存在不可逆化学反应。 第39页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二提高精馏过程热力学效率的途径 （1） 降低流动过程的 ，变板式塔为填料塔是降低提高生产能力的主要途径；（2）减小塔顶冷凝器和塔底再沸器的 , 常采用高效换热器或改进操作方式；（3）在较小R或不同R（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（降低了所耗能量的品位，降低了有效能消耗，从而提高了热力学效率）；第40页，共88页，2022年

18、，5月20日，0点27分，星期二（4） 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，重复使用的次数称为效数）（5）对原料中各组分沸点差不大的系统采用热泵流程。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部分显热或潜热等措施 减少过程的净耗功 改变分离过程操作条件减少过程的净耗功，如严控设计富裕度，选定最佳R 第41页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6.3.2.设置中间冷凝器和中间再沸器设置设置中间冷凝器和中间再沸器，使操作更趋于可逆精馏，净功消耗降低，同时可回收或节省高位的能量。当顶低温差较大时，效果尤佳。若在中间冷凝器和中间再沸器之间加一热

19、泵，效率更高。第42页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二第43页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6.3.3.多效精馏 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30%-50% 但需增加设备投资， 需要更高的控制系统。 第44页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二并流型混流型串联型第45页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 低 压 塔 高 压 塔F1F2D2W1W2D1低沸成分高沸成分1、并流型2、逆流型 低 压

20、塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分第46页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二3、混流型 低 压 塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分W 低 压 塔 高 压 塔FW1W2DS低沸成分高沸成分第47页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6.3.4.低温精馏的热泵热泵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。 解决办法 将制冷与精馏结合起来，把热量由低温处传向高温处。存在问题 T顶T釜，热量不能自动由低温传向高温提出设想 将塔顶移出热量拿到塔釜供热精馏操作共同特点 塔顶温度低于塔底温度 塔顶需供冷移热，塔釜须供热

21、第48页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 (1)采用外部致冷剂的热泵（闭式热泵）DW F精 馏 塔第49页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二(2)采用压缩塔顶蒸汽的热泵（开式A型热泵） FDW 精 馏 塔第50页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二(3)采塔底液体闪蒸的热泵（开式B型热泵） 低温精馏采用热泵可提高热力学效率。当原料中各组分沸点接近，且沸点均小于环境温度时，效果更佳。DW F精 馏 塔第51页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二双塔式热泵精馏流程第52页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星

22、期二(4)热泵精馏节能例子将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用 1234第53页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6.3.5 有关分离操作的节能经验规则 P202表6-1、如果进料混合物中不止存在一相，则首选采用机械分离、避免热量、冷量或机械功的损失；采用合适的绝热措施；避免排出大量热的或冷的产品，质量分离剂等等、避免作过于安全的设计和（或）没有必要使分离过度的实际操作；对于生产能力变动的装置，则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第

23、54页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二、在过程构成中寻求有效能最大者（或成本费用最大者）作为首要对象，通过过程的改进以降低能耗、在相际转移时，优先分离掉转移量少的而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，就要寻找传热系数较高的、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性可以达到要求，优先选择大的分离剂、只要好用，优先选择分离因子高的方案第55页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二10、避免将不相同组成温度的物流混合的设计11、分清不同形式的能量以及不同温度水平的冷量和热量的价值差别；加进和引出热量要使其温度水平接近于所需要的或是所具有的值；尽量

24、有效地利用热源和热阱之间的整个温差，例如多效蒸发12、对于在较小温差下输入热量来进行分离的过程，可以考虑使用热泵的可能性13、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂用量第56页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二14、当分离因子差不多时，优先选用能量分离剂过程，而其次选质量分离剂过程，同时，如有必要分级，则优先考虑平衡过程，其次才考虑速率控制过程15、在能量分离剂过程中，优先选择那些相变化潜热较低的分离剂16、如果压力降在能耗方面占重要地位，应设法寻找能够降低压力降的有效的设备内件第57页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6.4分离过程系统合成6.4.1.分

25、离顺序数 若分离为清晰分离塔（锐分离器），分离顺序数SC：当采用多种分离方法时第58页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 分离顺序的合成方法调优法以某个初始精馏塔序为出发点，按 照一定的调优法则和策略对它进行逐 步改进，最终合成出最优分离顺序。确定分离顺序的方法：调优法算法合成法（最优合成法）经验法（试探法）第59页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二经验法：依据经验规则对具体问题进行定性分析而确定分离序列的方法。其优点是使用简便，不需进行十分繁杂的计算即可从大量可能的序列中筛选出接近最优的序列。不足是缺乏严格的数学基础，不能合成出最优的序列。算法合成技术

26、：有数学规划法、分支界限法、有序搜索法和有序分支搜索法等。第60页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二试探法 (1)关于分离方法选择的经验规则首选分离方法为ESA的方法（如普通精馏），其次选用是使用MSA的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。关键组分的相对挥发度1.05时，普通精馏在经济上不合算尽量不用真空蒸馏和冷冻操作 第61页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二(2)设计方面的经验规则倾向于采用产品数目最少的分离序列由分离塔直接得产品是最好的，要避免分离得到的产物混合调配而得产品。第62页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二(3)与组分

27、性质有关的经验规则优先分离热稳定性差、具有腐蚀性和毒性的组分；优先分离出能发生反应的组分；产品纯度要求高的分离放在分离序列的最后；最难分离的组分最后分离；优先分离易于分离的组分。第63页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二(4)与组成和经济性有关的规则倾向于一分为二的分离；较轻的组分优先分离；将含量最高的组分优先分离；尽量使分离单元内上升的气相流率最小。 第64页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二应用这些规则的最好方法是 同时满足（或近似满足）几条规则的序列应予优先考虑；同时考虑用不同试探规则确定的几种序列；确定起主要作用的规则；保留23个最好的序列。第6

28、5页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二有序试探法 四大类：分离方法（M）试探规则，主要是对某一特定的分离任务，确定最好采用哪一类分离方法；设计（D）试探规则，主要决定最好采用的某个特定性质的分离顺序；组分（）试探规则，根据被分离组分性质上的差异而提出的规则；组成（C）规则，表示进料组成及产品组成对分离费用的影响。 第66页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 (1)M 规则 M1规则：优先采用ESA的方法，其次才考虑采用MSA的方法，若采用MSA，应在下一级分离中将其除去，并且不能用MSA来分离另MSA。M2规则：尽量避免采用真空精馏、冷冻操作。第67页，

29、共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 (2)D 规则 产品集合中元素最少的分离序列最有利 (3)S规则S1规则：首先除掉具有腐蚀性、毒性组分，以减少污染，对后续设备及操作条件就不必提出过高的要求。S2规则：最后处理难分离和分离要求高的组分。第68页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 (4)C 规则C1规则：规定应将进料中含量最多的组分首先分离出去。C2规则：指出等摩尔分割最有利。、难以判断哪一种分离最接近一分为二，选择最大CES处为分离点 （CES）=f 欲分离两个组分的沸点差，或（-1)100；f=D/W，DW ； f=W/D，DW。第69页，共88页，2

30、022年，5月20日，0点27分，星期二这七条规则的重要性按下列次序排列：M1M2DS1S2C1C2 类别经验规则优先使用能量分离剂的方法尽可能避免采用真空精馏及冷冻操作选择能产生最少产品集合的分离顺序首先移除腐蚀性和危险性的组分将最困难的分离放在分离顺序的最后先分离出含量最多的组分优先采用等摩尔分割或数值最大的分割第70页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二例6-3将下列混合物分离成较纯的单组分物流，进料组成如下表，其中组分E具有毒性，试用有序试探法选出一种最佳简单分离顺序。 组 分进料摩尔分率(kmol/h)相对挥发度要求产品的浓度（mol） A 10 3.58 含A94

31、% B 10 2.17 含B94% C 10 1.86 含C94% D 15 1.00 含D94% E 30 0.412 含E94%第71页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二解：根据S1规则和C1规则， E为有毒气体且含量最多，应首先将其分离，所以第一步应分离组分E； B、C组分间相对挥发度最小，相对最难分离，根据S2规则，B、C组分最后分离； A为最易分离的物体，所以第二步应分离组分A。第72页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二具体分离顺序 第73页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二复杂塔的分离顺序(略） 在简单分离塔的基础上加上多

32、段进料、侧线出料、预分馏、侧线精馏、侧线提馏和热偶合等组合方式构成复杂塔及包括复杂塔在内的塔序，力求降低能耗。第74页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 1、按相对挥发度递减的顺序逐个从塔顶分离出各组分（直接分离序列） 恩德伍德公式两边同乘以D：对普通精馏塔塔序可从以下规则加以考虑第75页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 （1） LNK存在， , 塔顶组分越多，塔顶冷凝器和塔釜再沸器传热负荷越大，能耗大。所以，上顺序优。（2）当混合物中某些组分沸点小于常温时，该规则可使难凝组分首先分离出，减少高压或低温塔的数目。第76页，共88页，2022年，5月20

33、日，0点27分，星期二2、最难分离组分应放在塔序的最后第77页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二 （1）使级间流率，再沸器加入热量,净功消耗 ；（2）塔顶与塔底温差 ，使净功消耗 ；（3）分离难分离组分精馏塔（N多塔高）的级间流率 ，塔径 ，设备费用 。第78页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二3、各塔的馏出液和釜液摩尔流率尽量接近 全塔内回流比较平衡，操作可逆性好，效率高，净功消耗低。第79页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二4、分离收率很高的组分应最后分出此塔N多塔高放于最后减小塔径，减小设备费用。5、进料含量高的组分尽量提前分出避免该组分在后继塔中多次蒸发和冷凝，减小后继塔的流率和冷凝器、再沸器的负荷，节省能耗和设备费用 第80页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二6、特殊组分的要先分 当上面各条规则发生矛盾时，抓主要矛盾，从中选出最适宜的塔序。第81页，共88页，2022年，5月20日，0点27分，星期二有的提出如下原则，发生矛盾和含义交叉时，在前的原